Macam-macam Elemen Fisika

Sumber Arus Searah dari Proses Kimiawi
Sumber arus searah disebut juga sebagai sumber tegangan searah sebab arus yamng ditimbulkan oleh suatu tegangan. Sumber arus berfungsi sebagai sumber energi untuk mengalirkan muatan melalui peralatan listrik. Energi diperoleh dari berbagai macam bentuk energi asal yang kemudian diubah menjadi energi listrik.


A. Elemen Primer
Pada elemen primer, reaksi kimia yang menyebabkan electron mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Dengan demikian elemen ini tidak dapat dimuati kembali jika muatannya habis. Elemen primer ialah elemen elektrokimia yang memerlukan pergantian bahan-bahan pereaksi setelah memberikan sejumlah energi listrik kepada rangkaian luar.


1. Elmen 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. 
Pada larutan elektrolit terjadi reaksi 
H2SO4 → 2H+ + SO42- 
Pada kutub positif terjadi reaksi 
Cu + 2H+ → polarisasi H2 
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. 
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).


3. Elemen Leclanche

Elemen Lechlance ditemukan oleh seorang ilmuwan Prancis, George Lechlance (1838 – 1882). Prinsip kerja elemen Lechlance hampir sama dengan elemen Daniell. Elemen ini juga disebut cikal bakal baterai.
Larutan elektrolit yang digunakan dalam elemen Lechlance merupakan campuran dari salamoniak dan seng klorida yang berbentuk pasta. Elemen ini terdiri dari Elektrode positif (anode) yaitu batang carbon (C) yang diselubungi oleh campuran bubuk karbon dan mangan dioksida, juga Elektrode negatif (katode) yang memuat batang seng (Zn) pembungkus elemen. Di elemen ini juga terdapat elektrolit berupa zat yang berjenis garam yaitu Ammonium Klorida (NH4Cl) yang berfungsi untuk menghasilkan listrik.

Cara Kerja:
Ketika ion-ion seng masuk ke dalam larutan ammonium klorida, batang seng akan mejadi negatif terhadap larutan logam. Ammonium klorida memberikan ion NH₄⁺ menembus bejana berpori menuju batang karbon dan memberikan muatan positifnya pada batang karbon.
Pada perkembangannya, elemen Leclanche berubah menjadi elemen kering (baterai) yang lebih mudah dipakai. Sebenarnya elemen kering diperoleh hanya dengan mengganti elektrolit larutan ammonium klorida menjadi campuran pasta ammonium klorida dengan serbuk kayu, tepung atau getah.
Elemen Lechlance dapat menghasilkan arus listrik sekitar 1,5 V. Elemen ini tidak menghasilkan asam yang berbahaya.


4. Elemen Daniell

Elemen ini dibuat oleh John Daniell pada tahun 1835. untuk mencegah terjadinya polarisasi, elektroda dilindungi oleh suatu bahan kimia yang disebut depolarisator. Pada elemen Daniell yang digunakan adalah tembaga sulfat (CuSO₄) yang dipisahkan dengan elektrolit asam sulfat encer oleh bejana berpori. Jadi, ion-ion masih dapat pergi dari elektroda ke elektroda lain melalui depolarisator. 

 
5. Generator
Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator  DC  memutar  kumparan  di  dalam  medan  magnet  tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa  arus  bolak-balik.  Ciri  generator  AC  menggunakan  cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri  generator  DC  menggunakan  cincin  belah  (komutator).  
Jadi, generator  AC  dapat  diubah  menjadi  generator  DC  dengan  cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah  generator  AC  kumparan  berputar   di  antara  kutub- kutub  yang  tak  sejenis  dari  dua  magnet  yang  saling  berhadapan. Kedua  kutub  magnet  akan  menimbulkan  medan  magnet.  Kedua ujung  kumparan  dihubungkan  dengan  sikat  karbon  yang  terdapat pada  setiap  cincin.  Kumparan  merupakan  bagian  generator  yang berputar  (bergerak) disebut  rotor. 
Magnet  tetap merupakan bagian generator   yang   tidak   bergerak   disebut   stator.   Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk  sudut  0 derajat),  belum  terjadi  arus  listrik  dan  tidak  terjadi GGL induksi  (perhatikan  Gambar  12.2).  Pada  saat  kumparan  berputar perlahan-lahan,  arus  dan  GGL  beranjak  naik  sampai  kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. 
Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi  dengan  arah  yang  berlawanan.  Pada  saat  membentuk  sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai  maksimum  lagi,  namun  arahnya  berbeda.  Putaran  kumparan selanjutnya,  arus  dan  tegangan  turun  perlahanlahan  hingga  mencapai  nol  dan  kumparan  kembali  ke  posisi  semula  hingga  memb entuk sudut 360 derajat.

B. Elemen Sekunder
Tidak seperti elemen primer, elemen sekunder bersifat dapat diperbaharui. Artinya tegangan yang berasal dari elemen sekunder suatu saat akan habis, tetapi kamu masih dapat mengisi elemen tersebut. Contoh elemen sekunder adalah akumulator. Akumulator banyak digunakan dalam kendaraan bermotor seperti sepeda motor dan mobil.


1. 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. 
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)