SUMBER TEGANGAN DAN ELEMEN-ELEMEN LISTRIK

1. Sumber tegangan listrik

Tegangan listrik dapat dihasilkan dari beberapa jenis sumber energi, di antaranya dari energi kimia (misalnya, aki an baterai), dari energi gerak (misalnya generator) dan energi matahari (misalnya solar panel). Sumber tegangan listrik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu.

a. Sumber tegangan listrik arus searah atau DC (Direct Current)

Ada beberapa macam sumber tegangan listrik arus searah, misalnya sel Volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus searah. Elemen Volta, batu batrai dan akumulator merupakan sumber arus searah yang dihasilkan oleh raksi kimia. Oleh karena itu, elemen Volta, batu batrai dan akumulator sering disebut elektrokimia. Dikatakan elektrokimia sebab alat tersebut mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

b. Sumber tegangan listrik arus bolak-balik atatu AC (Alternating Current), contoh teganan arus AC adalah generator, dinamo sepeda dan listrik PLN.

2. Elemen-elemen Listrik

Sumber teganga mengeluarkan energi listrik berdasarkan perinsip pasangan logam disebut sel atau elemen. Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi kembali. Elemen sekunder adalah elemen yang setelah habis muatannya dapat diisi kembali, contohnya aki. Pada elemen Volta, batrai dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu:

1. Anoda, elektroda positif yang memiliki potensial tinggi.
2. Katoda, elektroda negatif yang memiliki potensial rendah.
3. Larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.

a. Elemen Volta  

   Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh fisikawan Italia bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan sebuah benjana yang diisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan dua logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Bagian utama elemen Volta yaitu:

1). Kutub positif (anoda) terbuat dari tembaga (Cu).

2). Kutub negatif (katoda) terbuat dari seng (Zn).

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

perhatikan bagian-bagian elemen Volta berikut.

Adapun reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai berikut.

1. Pada larutan elektrolit terjadi reaksi H2SO4 → 2H+ + SO4

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 )

Kelemahan elemen volta diantaranya sebagai berikut.

1. Pada hasil reaksi, 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 ke seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar.
2. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt
3. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan dapat membasahi peralatan lainnya.

b. Elemen Daniell

   Elemen Daniell merupakan hasil modifikasi dari elemen Volta, yaitu dengan memperbaiki penampilan elemen. Untuk mencegah polarisasi yang ditimbulkan oleh gas hidrogen, elektroda dilindungi larutan tembaga sulfat (CuSO4) yang berfungsi sebagai depolarisator. Depolarisator (larutan tembaga sulfat) dipisahkan dari larutan elektrolit (asam sulfat encer) dengan benjana berpori, sehingga ion-ion masih dapat melalui elektroda satu ke elektroda lainnya dalam larutan elektrolit dan depolarisator. Elektroda positif (anoda) pada elemen Daniell terbuat dari benjana tembaga, sedangkan elektroda negatif (katoda) terbuat dari batang seng.

c. Elemen Kering

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

1. Kutub postif (anoda) terbuat dari batang karbon (C)
2. Kutub negatif (Katoda) terbuat dari seng (Zn)
3. Larutan elektrolit terbuat dari ammonium Klorida (NH4Cl)
4. Dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO2)

Batrai disebut elemen kering, karena elektrolitnya merupakan campuran diantaa serbuk karbon, batu kawi, dan salmiak yang berwujud pasta (kering).

Adapun reaksi kimia pada batrai adalah:

1. Pada larutan elektrolit terjadi

Zn + 2NH4Cl → Zn2+ + 2Cl + 2NH3 + H2

2. Pada dispolarisasi terjadi

H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O

Pada reaksi di atas, adanya bahan dispolarisator pada batu batrai, menyebabkan arus listrik yang mengalir lebih lama. Setiap batu baterai menghasilkan tegangan 1,5 volt. Elemen kering (batu batrai) banyak dijual ditoko karena memiliki keunggulan, antara lain tahan lama (awet), praktis karena berbentuk sesuai kebutuhan, tidak membahasi peralatan karna elektrolitnya berupa pasta (kering).

d. Aki (akumulator)

     Aki merupakan sumber tegangan yang berasal dari reaksi kimia, sebagaimana elemen Volta dan elemen kering. Aki terdiri atas karet keras atau kaca berisi larutan elektrolit H2SO4. Elektroda akumulator baik anoda maupun katoda terbuat dari timbal (Cu) berpori. Bagian utama akumulator, yaitu:

1. Kutub postif (anoda) terbuat dari timbal dioksida (PbO2)
2. Kutub negatif (katoda) terbuat dari timbal murni (Pb)
3. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%

1) Proses pengosngan aki

   Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan terjadi perubahan anoda, katoda dan elektrolitnya. Pada anoda terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Perubahan yang terjadi pada katoda adalah timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4)

Adapun pada larutan elektrolit terjadi perubaha, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan akumulator berbentuk air (H2O). Selain itu, 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.

• Pada elektrolit : H2SO4 → 2H+ + SO4
• Pada anoda : PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4  → PbO2 + 2H2SO4
• Pada katoda : Pb + SO4 → PbSO4

   Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi masa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis)

2) Proses pengisian aki

   Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anoda, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal dioksida (PbO2). Perubahan pada katoda, 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.

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

1. Kutub positif (anoda) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4).
2. Kutub negatif (katoda) terbuat dari timbal murni (Pb).
3. larutan elektron terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.

    Reaksi kimia saat akumulator diisi.

1. Pada elektrolit : H2SO4 → 2H+ + SO4
2. Pada anoda : PbSO4 + SO4 + 2H2O → PbO2 + 2H2SO4

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