Sumber Arus Listrik ( Wina - 25 )

D. SUMBER ARUS LISTRIK

Kamu sudah mengetahui bagaimana terjadinya arus listrik. Selain itu kamu juga sudah mengenal komponen yang dapat membantu gerakan elektron dalam suatu rangkaian. Suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk mengubah satu jenis energi, misalnya energi kimia dan energi gerak, menjadi energi listrik disebut sumber arus listrik. Contohnya baterai, akumulator, dan generator.

Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua, yaitu sumber arus listrik bolak-balik (AC) dan sumber arus listrik searah (DC). Sumber arus listrik AC dihasilkan oleh dinamo arus AC dan generator. Ada beberapa macam sumber arus searah, misalnya sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus searah. Elemen volta, batu baterai, dan akumulator merupakan sumber arus searah yang dihasilkan oleh reaksi kimia. Oleh karena itu, elemen volta, batu baterai, dan akumulator sering disebut elektrokimia. Dikatakan elektrokimia sebab alat tersebut mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi kembali. Contohnya elemen volta dan batu baterai. Elemen sekunder adalah elemen yang setelah habis muatannya dapat diisi kembali. Contohnya akumulator (aki). Pada elemen volta, baterai, dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu

1.   anode, elektrode positif yang memiliki potensial tinggi,

2.   katode, elektrode negatif yang memiliki potensial rendah,

3.   larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.

Untuk lebih memahami prinsip kerja beberapa contoh elektrokimia, ikutilah uraian berikut.

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). Bagian utama elemen Volta, yaitu

1.   kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),

2.   kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

3.   larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4).

Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai berikut.

1.   Pada larutan elektrolit terjadi reaksi H2SO4 → 2H+ + SO2–4

2.   Pada kutub positif terjadi reaksi Cu + 2H+ → polarisasi H2

3.   Pada kutub negatif terjadi reaksi Zn + SO4 → ZnSO4+ 2e

Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen Volta karena dapat membasahi peralatan lainnya.

2. Elemen Kering

Elemen kering disebut juga baterai. Elemen kering pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama elemen kering adalah

1.   kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C),

2.   kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

3.   larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH4Cl),

4.   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 elektrode itu dihubungkan dengan lampu maka lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan seng. Adapun, reaksi kimia pada batu baterai adalah sebagai berikut.

1.   Pada larutan elektrolit terjadi reaksi Zn + 2NH4Cl → Zn2+ + 2Cl + 2NH3 + H2 (ditangkap dispolarisasi)

2.   Pada dispolarisator terjadi reaksi H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O

Reaksi kimia pada batu baterai akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen akan ditangkap dan bereaksi dengan dispolarisator yang berupa mangan dioksida (MnO2) menghasilkan air (H2O), sehingga pada batu baterai tidak terjadi polarisasi gas hidrogen yang mengganggu jalannya arus listrik. Bahan yang dapat menghilangkan polarisasi gas hidrogen disebut dispolarisator. Adanya bahan dispolarisator pada batu baterai, menyebabkan arus listrik yang mengalir lebih lama. Setiap batu baterai menghasilkan tegangan 1,5 volt. Elemen kering (batu baterai) banyak dijual di toko karena memiliki keunggulan antara lain tahan lama (awet), praktis karena bentuk sesuai kebutuhan, dan tidak membasahi peralatan karena elektrolitnya berupa pasta (kering).

3. Akumulator

Akumulator sering disebut aki. Elektrode akumulator baik anode dan katode terbuat dari timbal (Cu) berpori. Bagian utama akumulator, yaitu

1.   kutup positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2),

2.   kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb),

3.   larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.

Lempeng timbal dioksida dan timbal murni disusun saling bersisipan akan membentuk satu pasang sel akumulator yang saling berdekatan dan dipisahkan oleh bahan penyekat berupa isolator. Beda potensial yang dihasilkan setiap satu sel akumulator 2 volt. Dalam kehidupan sehari-hari, ada akumulator 12 volt yang digunakan untuk menghidupkan starter mobil atau untuk menghidupkan lampu sein depan dan belakang mobil. Akumulator 12 volt tersusun dari 6 pasang sel akumulator yang disusun seri. Kemampuan akumulator dalam mengalirkan arus listrik disebut kapasitas akumulator yang dinyatakan dengan satuan Ampere Hour (AH). Kapasitas akumulator 50 AH artinya akumulator mampu mengalirkan arus listrik 1 ampere yang dapat bertahan selama 50 jam tanpa pengisian kembali.

a. Proses Pengosongan Akumulator

Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada anode terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Perubahan yang terjadi pada katode adalah timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Adapun pada larutan elektrolit terjadi perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan akumulator terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut.

1.   Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2).

2.   Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb).

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

Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga menghasilkan elektron dan air. Reaksi kimia pada akumulator yang dikosongkan adalah sebagai berikut.

1.   Pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–

2.   Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4 →PbSO4+2H2O

3.   Pada katode : Pb + SO 42 → PbSO4

Pada saat akumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan - lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO4). Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis).

b. Proses Pengisian Akumulator

Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal dioksida (PbO2). Perubahan pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat akan berubah dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum terjadi penguapan air. Bagaimanakah cara menyetrum akumulator?

Untuk menyetrum akumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang memiliki beda potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya lebih dari 6 volt. Kutub - kutub akumulator dihubungkan dengan kutub sumber tegangan. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator. Adapun, kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator. Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC berlawanan dengan arah aliran elektron akumulator.

Elektron - elektron pada akumulator dipaksa kembali ke elektrode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman akumulator lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus listrik diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali.

Susunan akumulator yang akan disetrum (diisi) dalam keadaan masih kosong, yaitu

1.   kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4),

2.   kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4),

3.   larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.

Reaksi kimia saat akumulator diisi, yaitu

1.   pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–

2.   pada anode : PbSO4 + SO4 2– + 2H2O→ PbO2 + 2H2SO4

3.   pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H2SO4

Jadi, saat penyetruman akumulator pada prinsipnya mengubah anode dan katode yang berupa timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2) dan timbal murni (Pb).

Artikel Terkait