BAB 1 - Listrik

Standar Kompetensi

3. Memahami konsep kelistrikan dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. 

Kompetensi Dasar

3.1. Mendeskripsikan muatan listrik untuk memahami gejala-gejala listrik statis serta kaitannya dalam kehidupan sehari-hari.

3.2. Menganalisis percobaan listrik dinamis dalam suatu rangkaian serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

3.3. Mendeskripsikan prinsip kerja elemen dan arus listrik yang ditimbulkannya serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

3.4. Mendeskripsikan hubungan energi dan daya listrik serta pemanfaatannya dalam kehidupan sehari-hari. 

Arus Listrik

Arus listrik adalah gerakan atau aliran muatan listrik. Berdasarkan perjanjian arah arus listrik diambil sesuai arah gerakan muatan positif. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial yang lebih rendah, sedangkan elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial yang lebih tinggi. Syarat terjadinya arus listrik: 

1. Terdapat beda potensial antara kedua ujung konduktor 

2. Terjadi dalam rangkaian tertutup (seluruh elemen terhubung) 

 

Gambar tersebut menunjukkan rangkaian listrik sederhana. Rangkaian listrik tersebut merupakan susunan alat-alat listrik yang terdiri dari sumber arus, kawat penghantar, lampu atau alat listrik, dan saklar. Pada gambar 1a saklar dalam keadaan terbuka dan rangkaian tersebut disebut rangkaian terbuka. Pada rangkaian terbuka maka arus listrik tidak dapat mengalir sehingga lampu tidak menyala. Pada gambar 1b saklar dalam keadaan tertutup dan rangkaian tersebut disebut rangkaian tertutup. Pada rangkaian tertutup 1b maka arus listrik mengalir melalui rangkaian sehingga lampu menyala 

Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan yang mengalir melalui suatu penampang konduktor tiap detik. 

Jika ada muatan sebesar melewati suatu penampang konduktor dalam interval waktu, maka besar kuat arus listrik yang mengalir dalam konduktor itu adalah: 

dalam SI (Sistem Internasional) satuan arus adalah ampere (A). 

Satu ampere didefinisikan sebagai muatan satu coulomb yang melewati suatu permukaan dalam waktu 1 detik. Muatan listrik satu electron adalah 1,6 x 10-19C. Jika besarnya muatan listrik yang melalui pengantar dalam waktu tertentu adalah Q Coulomb, maka jumlah electron yang melalui penghantar adalah: 

Tegangan Listrik

Tegangan listrik (Voltage) adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt. Besaran ini mengukur energi potensial dari sebuah medan listrik yang mengakibatkan adanya aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensial listriknya, suatu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Secara definisi tegangan listrik menyebabkan obyek bermuatan listrik negatif tertarik dari tempat bertegangan rendah menuju tempat bertegangan lebih tinggi. Sehingga arah arus listrik konvensional di dalam suatu konduktor mengalir dari tegangan tinggi menuju tegangan rendah.

Agar terjadi aliran muatan (arus listrik) dalam suatu rangkaian tertutup, maka haruslah ada beda potensial/beda tegangan di kedua ujung rangkaian. Beda potensial listrik adalah energi tiap satu satuan muatan.

Jika energi tiap muatan habis akibat penggunaan, maka di kedua ujung rangkaian tidak akan ada beda potensial (beda potensial bernilai nol). Akibatnya komponen-komponen elektronika seperti lampu, trafo, dan lain sebagainya tidak akan dapat berfungsi sebagaimana mestinya. Perhatikanlah gambar berikut. Adanya beda potensial pada ujung ujung sumber tegangan, menyebabkan lampu dalam rangkaian tertutup tersebut dapat menyala. Pada lampu terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kalor dan cahaya.

Untuk mengukur langsung beda potensial listrik pada lampu, maka dipasang alat ukur tegangan/beda potensial seperti terlihat pada gambar. Pada gambar tersebut, alat ukur tegangan dipasang paralel dengan komponen yang hendak diukur beda potensialnya. 

Hambatan Listrik

Dalam suatu rangkaian listrik tentu terdapat hambatan. Hambatan/resistansi merupakan karakteristik umum dari suatu rangkaian. Berikut akan dijelaskan secara lebih detail karakteristik hambatan komponen-komponen dalam rangkaian listrik

1. Hambatan Kawat Penghantar. Besarnya hambatan kawat penghantar dipengaruhi oleh tiga faktor, yaitu Hambatan jenis penghantar, panjang penghantar, dan luas penampang penghantar 

 

2. Hambatan Resistor. Dalam suatu rangkaian, kadangkala digunakan resistor sebagai penghambat arus. Resistor digunakan agar tidak membuang banyak biaya dalam pembuatan suatu hambatan. Besarnya resistansi suatu resistor dapat kita tentukan secara langsung menggunakan alat ukur hambatan (ohmmeter) atau bisa juga dilakukan penghitungan manual menggunakan kode warna resistor. Terkait dengan kode warna resistor, akan dijelaskan seperti berikut

Kode Warna Resistor 

Warna	Angka I	Angka II	Faktor Pengali	Toleransi
Hitam	0	0	100
Coklat	1	1	101
Merah	2	2	102
Jingga	3	3	103
Kuning	4	4	104
Hijau	5	5	105
Biru	6	6	106
Ungu	7	7	107
Abu	8	8	108
Putih	9	9	109
Emas				5 %
Perak				10 %
Tak berwarna				20 %

Hukum Ohm

Hasil eksperimen George Simon Ohm pada tahun 1827 menunjukkan bahwa arus listrik I yang mengalir pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial V yang diberikan pada ujung-ujungnya. 

Jika beda potensial diperbesar maka arus yang mengalir juga semakin besar. Hasil eksperimen ini dikenal dengan hukum Ohm. Hubungan antara V dan I secara grafik adalah

 

Dari gambar tampak bahwa kuat arus listrik sebanding dengan tegangan yaitu

Sehingga 

Konduktansi dari konduktor yang merupakan kebalikan dari Resistansi, maka 

Sehingga 

Dengan: 

R = hambatan listrik (ohm, Ω) 

V = beda potensial atau tegangan (volt, V) 

I = kuat arus listrik (ampere, A) 

Perumusan di atas untuk kasus R konstan dikenal sebagai Hukum Ohm yang berbunyi: kuat arus listrik yang mengalir melalui sebuah penghantar listrik sebanding dengan tegangan (beda potensial) antara dua titik pada penghantar tersebut, asalkan R konstan. Melihat grafik hubungan I-V, maka semakin miring (curam) grafik I-V maka hambatannya makin besar dan begitu juga sebaliknya. 

Hukum Kirchoff

Dengan menggunakan hukum Ohm kita dapat menemukan besarnya arus yang mengalir pada suatu rangkaian gabungan seri-paralel. Meskipun demikian, kadang-kadang kita menjumpai rangkaian yang sulit untuk dianalisis. Sebagai suatu contoh, kita tidak dapat menemukan aliran arus pada setiap bagian rangkaian sederhana dengan kombinasi hambatan seri dan paralel. 

Menghadapi rangkaian yang sulit seperti ini, kita menggunakan hukum-hukum yang ditemukan oleh G. R. Kirchhoff (1824-1887) pada pertengahan abad 19. Terdapat dua hukum Kirchoff, dan hukum-hukum ini adalah aplikasi sederhana yang baik sekali dari hukum-hukum kekekalan muatan dan energi. Hukum pertama Kirchoff atau Hukum Persambungan (junction rule) didasarkan atas hukum kekekalan muatan, dan kita telah menggunakannya pada kaidah untuk hambatan paralel.

1. Hukum I Kirchoff 
Hukum I Kirchoff berbunyi: Pada suatu titik cabang, jumlah kuat arus yang masuk sama dengan jumlah kuat arus yang keluar.

Misalkan pada titik cabang P

 Maka sesuai dengan Hk I Khircoff adalah I1 + I2 = I3 + I4

2. Hukum II Kirchoff
Hukum II Kirchoff atau aturan loop (loop rule) didasarkan atas kekekalan energi. Hukum II Kirchoff berbunyi: Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik dengan penurunan tegangan adalah sama dengan nol.

Secara matematis:

Perjanjian tenda untuk ggl ε dan kuat arus I dalam persamaan di atas adalah sbb.

• Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dg arah tertentu, namun jika memungkinkan usahakan searah arah arus.
• Kuat arus bertanda positif jika searah dengan arah loop dan negatif jika berlawanan arah dengan arah loop.
• Bila ketika mengikuti loop sesuai dengan arah loop, kutub positif dijumpai lebih dulu dari kutub negatifnya, maka ggl bertanda positif, dan negatif jika sebaliknya.

Beda potensial (tegangan jepit) antara dua titik pada suatu cabang, misalnya antara titik a dan b, dihitung dengan persamaan:

Rangkaian Hambatan Listrik

1. Susunan Seri 

Karakteristik hambatan susunan seri: 

a. Rangkaian seri bertujuan untuk memperbesar hambatan rangkaian, nilai Rtotal untuk susunan seri adalah R1 + R2 + R3 = Rtotal 

b. Kuat arus yang melewati setiap hambatan adalah sama. I1 = I2 = I3 = Itotal, seperti yang terlihat pada gambar. 

c. Beda potensial dapat dihitung dengan hukum ohm V= I.R, sehingga V1 = I1.R1, V2 = I2.R2, Vtotal= Itotal.Rtotal 

d. Berfungsi sebagai pembagi tegangan. V1 : V2 : V3 = R1 : R2 : R3 Kelemahan susunan seri adalah ketika salah satu komponen listrik pada rangkaian seri putus, maka rangkaian listrik menjadi terbuka, sehingga komponen lain yang masih baik ikut padam. Namun sekring sengaja dipasang seri dengan rangkaian komponen-komponen lain untuk tujuan pengaman. 

2. Susunan Paralel 

Karakteristik hambatan susunan paralel: 

a.Tegangan pada setiap hambatannya adalah sama yaitu sama dengan tegangan resistor penggantinya (V1 = V2 = V3 = Vtotal). Susunan paralel seperti pada gambar berikut.

b. Bertujuan untuk memperkecil hambatan rangkaian, maka nilai Rtotal untuk susunan paralel adalah: 

c. Khusus untuk dua buah resistor R1 dan R2 yang disusun paralel, nilai Rtotal­ dapat dihitung secara: 

d. Kuat arus yang melalui resistor dapat dihitung dengan hukum Ohm, 

 e. Berfungsi sebagai pembagi arus, yaitu kuat arus yang melalui tiap-tiap resistor berbanding terbalik dengan hambatan listriknya 

Salah satu contoh hubungan paralel adalah peralatan listrik di rumah kita. Dalam susunan paralel, jika salah satu komponen rusak atau gagal, maka komponen-komponen lain dalam rangkaian masih tetap bekerja. 

3. Hambatan Pengganti n Buah Resistor Ekivalen 

Jika n buah resistor ekivalen, masing-masing dengan hambatan R ohm disusun seri atau paralel maka hambatan listrik resistor pengganti dinyatakan oleh 

Seri : 

Paralel : 

Hambatan Kawat Penghantar

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa hambatan kawat penghantar R berbanding lurus dengan panjang kawat lurus l dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat A. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut.

Besaran ρ dikenal sebagai hambatan jenis atau resistivitas yang nilainya bergantung pada jenis bahan penghantar.

Dalam suatu batas perubahan suhu tertentu, perubahan hambatan jenis sebanding dengan besar perubahan suhu (Δt),

Karena hambatan R berbanding lurus dengan hambatan jenis ρ, maka perubahan nilai hambatan akan mengikuti hubungan,

Sehingga,

Dengan:

Rt = hambatan pada suhu t0C,

R0 = hambatan mula-mula,

α = Koefisien suhu hambatan jenis (per 0C)

Δt = perubahan suhu (0C) 

Koefisien suhu hambatan jenis (α) tergantung pada jenis bahan. Meskipun hambatan jenis sebagian besar logam bertambah akibat kenaikan suhu, namun bahan tertentu hambatan jenis justru akan semakin kecil akibat kenaikan suhu. Hal ini terjadi pada bahan semikonduktor yaitu, karbon, grafit, germanium, dan silikon.
 

Alat Ukur Listrik

. Amperemeter

Amperemeter (ammeter): adalah alat ukur kuat arus listrik. Untuk mengukur arus yang mengalir melalui resistor pada rangkaian, amperemeter dipasang secara seri dengan resistor itu.

Simbol amperemeter dalam rangkaian adalah;

Dengan demikian, pada amperemeter dan resistor akan mengalir arus yang sama. Idealnya, amperemeter memiliki hambatan yang sangat kecil sehingga hanya sedikit perubahan yang terjadi pada arus yang diukur. Amperemeter memiliki skala penuh atau batas ukur maksimum, sedangkan kuat arus listrik yang akan diukur mungkin melebihi batas ukur maksimum amperemeter. Galvanometer adalah komponen utama yang menyusun amperemeter analog. Agar amperemeter dapat digunakan, maka dipasang suatu hambatan yang paralel dengan galvanometer sehingga kelebihan arus akan mengalir ke hambatan paralel (hambatan shunt) atau Rsh

Arus maksimum yang melalui galvanometer adalah Im, sehingga arus yang melalui Rsh adalah I-Im. Resistor RG dan Rsh dipasang secara pararel, maka beda potensial antara a dan b sama besar. Dengan demikian,berlaku

Dengan RG resistor galvanometer dan

2. Voltmeter

Voltmeter adalah alat pengukur beda potensial (tegangan) antara dua titik. Untuk mengukur beda potensial pada ujung-ujung resistor maka voltmeter dipasang pararel dengan resistor itu.

Voltmeter juga memiliki resistansi sehingga pemasangan voltmeter akan mengurangi hambatan antara titik a dan b. Akibatnya, arus yang mengalir pada rangkaian meningkat dan mempengaruhi tegangan pada titik a-b. Idealnya, voltmeter mempunyai hambatan yang sangat besar sehingga efeknya pada rangkaian menjadi minimal.

Agar voltmeter dapat digunakan untuk mengukur tegangan yang lebih besar maka batas ukur maksimum voltmeter dapat diperbesar dengan menambah hambatan yang dipasang seri dengan galvanometer penyusun voltmeter itu. 

 

Untuk menghitung besar Rs maka tegangan sebesar V dibagi menjadi dua, yaitu tegangan pada galvanometer Vm dan tegangan pada ujung-ujung resistor Rs yaitu Vs. Jadi, V = Vm + Vs. Resistor Rs dan RG disusun seri sehingga diperoleh resistor ekivalen R = Rs + RG. Untuk resistor susunan seri, berlaku

Dengan RG adalah resistor galvanometer dan n = V / Vm menunjukkan perbandingan antara tegangan skala penuh dan tegangan skala penuh galvanometer.

 

3. Ohmmeter

Ohmmeter adalah alat pengukur hambatan atau resistansi resistor. Untuk membuat ohmmeter, galvanometer dihubungkan seri dengan baterai dan resistor Rs.

Ketika terminal-terminal x dan y dihubungkan ke resistor R yang tidak diketahui, arus I yang mengalir melalui galvanometer adalah

4. Pembacaan alat ukur listrik dalam rangkaian listrik

Pada dasarnya pembacaan alat ukur baik itu amperemeter dan voltmeter adalah sama. Yang perlu diperhatikan adalah batas ukur yang digunakan. Batas ukur adalah batas nilai maksimal yang bisa diukur oleh suatu alat ukur. 

Cara untuk membaca hasil pengkuran adalah:

Amperemeter ada yang mempunyai batas ukur dan skala terbatas. Misalnya sebuah amperemeter batas ukurnya 5A dengan skala 1–10. Jika saat digunakan jarum menunjukkan angka 4 pada skala, besar kuat arus listrik yang terukur adalah sebagai berikut.

Daya Listrik

Masih ingatkah kamu konsep daya saat belajar di kelas VIII? Pengertian daya pada mekanika menjadi dasar penurunan daya pada listrik dinamik. Pada mekanika, yang dimaksud dengan daya adalah kecepatan melakukan usaha. Adapun, pada listrik dinamik, daya listrik adalah jumlah energi listrik yang digunakan tiap detik. Besar daya listrik dirumuskan sebagai berikut.

P =W / t

Karena W = V.I.t, maka persamaan daya listrik dapat ditulis sebagai berikut.

P = V . I

Adapun, menurut Hukum Ohm V = IR sehingga persamaan daya juga dapat ditulis sebagai berikut.

Dengan:

P = daya listrik satuannya watt (W)

V = tegangan listrik satuannya volt (V)

I = kuat arus listrik satuannya ampere (A)

R = hambatan listrik satuannya ohm ( Ω ) 

Satuan daya listrik dalam SI adalah watt (W). Untuk daya listrik yang besar menggunakan satuan kilowatt (kW) atau megawatt (MW), dimana

1 kW = 1.000 watt = 103 watt

1 MW= 1.000.000 watt = 106 watt 

Daya Listrik pada Suatu Alat Listrik

Alat listrik yang dijual di toko biasanya sudah tercantum daya dan tegangan yang dibutuhkan alat itu. Misalnya, lampu bertuliskan 60 W/220 V, setrika bertuliskan 300W/220 V, dan pompa air bertuliskan 125 W/220 V. Lampu bertuliskan 60 W/220 V artinya lampu akan menyala dengan baik, jika dipasang pada tegangan 220 volt dan selama 1 detik banyaknya energi listrik yang diubah menjadi energi cahaya 60 joule. 

Jika lampu dipasang pada tegangan lebih besar dari 220 V maka lampu akan rusak. Sebaliknya, jika dipasang pada tegangan kurang dari 220 V, lampu menyala kurang terang. Ada kalanya alat-alat listrik tidak mencantumkan daya listriknya, tetapi tertulis tegangan dan kuat arus. Misalnya, motor listrik bertuliskan 220 V- 0,5 A. Artinya motor akan bekerja dengan baik jika dipasang pada tegangan 220 volt dan akan mengalir arus listrik 0,5 ampere. 

Penggunaan Satuan kWh (kilowatt jam)

Alat untuk mengukur energi listrik yang digunakan dalam rumah tanggga disebut kWh-meter (meteran listrik). Alat itu terdiri atas sebuah motor yang kecepatan berputarnya bergantung daya alat listrik yang digunakan dan waktu penggunaan. Angka yang ditunjukkan merupakan integrasi besaran daya kali waktu atau energi listrik. Pernahkah kamu membayar rekening listrik rumahmu ke PLN? Pada dasarnya pelanggan PLN menggunakan energi listrik setiap bulannya. Besar kecil penggunaan energi itulah yang digunakan sebagai dasar untuk membayar rekening listrik. Banyaknya energi listrik (dalam satuan kWh) yang digunakan dapat dibaca pada meteran listrik. Adapun, harga per kWh ditentukan oleh PLN.

Energi Listrik

Energi listrik dapat berubah menjadi bentuk energi lain. Untuk mengubah energi listrik menjadi energi lain diperlukan alat listrik. Setrika merupakan alat listrik yang memiliki hambatan, jika digunakan memerlukan tegangan, arus listrik, dan waktu penggunaan. Hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu itulah yang memengaruhi besar energi listrik. Bagaimanakah merumuskan hubungan energi listrik dengan hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu? 

Besar energi listrik dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut. 

W = V . I . t

Dengan: 
W= besar energi listrik (joule) 
V = besar tegangan listrik (volt) 
I = besar kuat arus listrik (ampere) 
t = selang waktu (sekon) 

Berdasarkan rumus di atas dapat dikatakan bahwa besar energi listrik bergantung oleh tegangan listrik, kuat arus listrik, dan waktu listrik mengalir. Energi listrik akan makin besar, jika tegangan dan kuat arus makin besar serta selang waktu makin lama. 

Karena menurut Hukum Ohm V = IR, maka persamaan tersebut dapat diturunkan menjadi persamaan berikut. 

Satuan energi listrik dalam SI adalah joule (J). Adapun, satuan energi listrik yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah kWh (kilowatt hour atau kilowatt jam). Dalam hal ini 
1 kWh = 1 kilo × 1 watt × 1 jam 
1 kWh = 1.000 × 1 watt × 3.600 sekon 
1 kWh = 3.600.000 watt sekon 
1 kWh = 3,6 × 106 joule 

Selain itu dalam kehidupan sehari-hari, energi listrik sering dimanfaatkan sebagai pemanas (misalnya setrika, solder, atau heater).

Accumulator

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

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%. 

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. 

Proses Pengosongan Accumulator 

Pada saat accumulator 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 accumulator terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut. 

Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2).
Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb).
Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.

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

Pada elektrolit : H2SO4→2H+ + SO42– 

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

Pada katode : Pb + SO42–→ PbSO4 

Pada saat accumulator 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 accumulator kosong (habis). 

Proses Pengisian Accumulator 

Accumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian accumulator sering disebut penyetruman accumulator. Pada saat penyetruman accumulator 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 accumulator 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 accumulator. 

Elektron-elektron pada accumulator dipaksa kembali ke elektrode accumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman accumulator lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus listrik diatur dengan rheostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air accumulator kembali. Susunan accumulator yang akan disetrum (diisi) dalam keadaan masih kosong, yaitu 

Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4),
Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4),
Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.

Reaksi kimia saat accumulator diisi, yaitu 

Pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO42– 

Pada anode : PbSO4 + SO42– + 2H2O→ PbO2 + 2H2SO4 

Pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H2SO4 

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

Elemen Kering (Baterai)

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. 

Pada larutan elektrolit terjadi reaksi 

Zn + 2NH4Cl → Zn2+ + 2Cl + 2NH3 + H2 (ditangkap dispolarisasi) 

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).

Sifat Muatan Listrik

Kita ketahui bahwa benda yang bermuatan listrik, baik positif atau negatif, dapat menarik serpihan kertas kecil. Bagaimanakah jika benda-benda yang bermuatan saling didekatkan? Untuk menjawab persoalan tersebut terlebih dahulu harus mengetahui sifat-sifat suatu muatan listrik.

Pada percobaan dengan cara menggosok batang kaca dengan kain wol, lalu menggantungnya pada statif. Kemudian mendekatkan batang kaca yang sudah dipakai menyisir rambut, diperoleh bahwa batang kaca yang didekati sisir plastik akan tarik-menarik. Hal ini terjadi akibat gosokan dengan kain wol batang kaca bermuatan positif dan sisir plastik akan bermuatan negatif. Dengan demikian, muatan yang tidak sama (positif – negatif) apabila berdekatan akan saling menarik, seperti gambar berikut ini.

Perbedaan terjadi pada ebonit dan sisir plastik. Ebonit yang didekati sisir plastik akan tolak-menolak. Hal ini disebabkan jenis muatan listrik yang dihasilkan akibat gosokan antara ebonit dan sisir plastik sama, yaitu muatan negatif. Jadi, muatan yang sejenis (negatif – negatif) jika berdekatan akan tolak-menolak, seperti gambar di bawah ini.

Percobaan seperti kedua gambar di atas menunjukkan adanya gaya tarik-menarik dan gaya tolak-menolak antara muatan dari benda yang berbeda, yaitu kaca dengan sisir plastik dan ebonit dengan sisir plastik. Dapatkah gaya tarik-menarik dan gaya tolak-menolak terjadi pada benda yang sama?

 

Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antarmuatan dapat terjadi pada benda yang sama, misalnya dua batang kaca. Jika kedua batang kaca digosok dengan kain sutra dan didekatkan, akan tolak-menolak, karena kedua benda bermuatan sejenis. Hal yang sama dapat terjadi pada dua penggaris plastik yang digosok dengan kain wol. 

Gaya Coulomb

Charles Augustin de Coulomb, seorang fisikawan berkebangsaan Perancis, pada tahun 1785 pertama kali yang meneliti hubungan gaya listrik dengan dua muatan dan jarak antara keduanya dengan menggunakan sebuah neraca puntir. Untuk mengenang jasa Charles A. de Coulomb, namanya digunakan untuk satuan internasional muatan listrik, yaitu coulomb (C). Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antara dua muatan listrik disebut gaya Coulomb (Fc). Apabila dua muatan yang berdekatan jenis muatannya sama, maka gaya Coulombnya berupa gaya tolak-menolak. 

Sebaliknya, dua muatan yang berdekatan jenis muatannya tak senama, maka gaya Coulombnya berupa gaya tarik-menarik.

Besar gaya Coulomb bergantung pada:

1. besar masing-masing muatan (Q1 dan Q2 ),

2. kuadrat jarak antara dua muatan (r2).

Hukum Coulomb berbunyi: besar gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik antara dua benda bermuatan listrik, berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda bermuatan. Secara matematis Hukum Coulomb dirumuskan:

Dengan:

Fc = gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik (N)

Q1 = besar muatan pertama (C)

Q2 = besar muatan kedua (C)

r = jarak antara dua benda bermuatan (m) k = konstanta pembanding besarnya 9 × 109 Nm2/C2

GGL Listrik

Pernahkah kamu memerhatikan tulisan 1,5 V pada baterai, atau 6 V dan 12 V pada akumulator? Besaran 1,5 V, 6 V atau 12 V yang tertulis pada badan baterai atau akumulator menunjukkan beda potensial listrik yang dimilikinya. Hal itu sering disebut gaya gerak listrik (GGL). Untuk membantumu memahami pengertian gaya gerak listrik, perhatikan gambar di bawah ini dan perhatikan pula penjelasannya.

Jika sakelar (sk) ditutup, elektron di kutub negatif baterai akan bergerak melalui penghantar menuju kutub positif. Selama dalam perjalanannya, elektron mendapat tambahan energi dari gaya tarik kutub positif. Namun, energi itu akan habis karena adanya tumbukan antarelektron; di dalam lampu tumbukan itu mengakibatkan filamen berpijar dan mengeluarkan cahaya. Sesampainya di kutub positif, elektron tetap cenderung bergerak menuju ke kutub negatif kembali. 

Namun, hal itu sulit jika tidak ada bantuan energi luar. Energi luar tersebut berupa energi kimia dari baterai. Energi yang diperlukan untuk memindah elektron di dalam sumber arus itulah yang disebut gaya gerak listrik (GGL). Pada gambar di atas tegangan terukur pada titik AB (misalnya menggunakan voltmeter) ketika sakelar terbuka merupakan GGL baterai. Adapun tegangan terukur ketika sakelar tertutup merupakan tegangan jepit. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil daripada gaya gerak listrik.