BAHASAN LISTRIK DINAMIS 3

Modul Pembelajaran IPA SMP Kelas IX, Drs. Marselinus Boli

Penghasil Arus Listrik

Kamu tentu sangat kenal dengan batu betere. Ketika batu batere dimasukan ke dalam tabung senter dan saklar dihidupkan maka  akan dihasilkan  arus listrik yang membuat lampu senter menyala. Selain batu batere  ada juga sumber arus  lain yang cara kerjanya hampir  sama dengan batu batere seperti aki (accumulator) dan UPS (Uninterruptible Power Suply).

Secara umum sumber arus listrik yang kita gunakan sehari-hari  dapat dibekan  dalam  dua tipe yaitu :

Sumber arus bolak balik atau Alternatting current (AC); Sumber arus yang  bekerja dengan sistim induksi melalui kumparan elektromagnetik. Sifat arusnya permanen. Contohnya seperti generator.

Sumber arus  searah atau Direct current (DC);  sumber arus searah banyak tersedia dalam bentuk elemen penyimpan arus. Arus yang dihasilkan hanya bisa dipakai untuk jangka waktu tertentu. Sampai  batas waktunya  arus yang tersimpan  habis. Tipe elemen DC ada yang  tidak bisa diisi lagi atau sekali pakai langsung dibuang. Biasa disebut elemen primer. Contohnya seperti sel volta dan batu batere.  Ada juga yang bisa diisi ulang, atau disebut elemen sekunder.   Contohnya seperti sel aki. Baik elemen primer maupun  sekunder memiliki kemampuan  untuk mempertahankan beda potensial listrik dalam jangka waktu tertentu. Kedua jenis sumber arus ini  mampu mengubah energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik.

Baik AC maupun DC memiliki potensial listrik tersimpan yang disebut Gaya Gerak Listrik (GGL).

Apakah Gaya Gerak Listrik ?

Gaya Gerak Listrik (GGL) adalah beda potensial atau tegangan  yang tersimpan  dalam suatu sumber arus listrik.sebelum dihubungkan dengan konduktor. Dalam persamaan matematika dinyatakan dengan simbol  E. Satuannya volt.

Gambar 3.5.10. A. Elemen dalam keadaan diam

  B. Elemen sedang mengalirkan arus listrik

Saat sumber arus dalam kedaan diam tegangannya disebut GGL. Seteleh dihubungkan dengan konduktor tegangannya berubah menjadi tegangan jepit. Besar kedua tegangan ini selalu berbeda.

1.   Elemen  Listrik

Elemen penghasil arus listrik yang kita pelajari pada sub topik ini adalah elemen primer seperti sel vota dan sel kering atau batu batere, selemen sekunder seperti sel aki.

a.     Elemen  Volta

Elemen volta adalah sebuah sel elektrokimia yang bisa menghasilkan arus listrik. Ditemukan oleh fisikawan asal Italia Aleksandro Volta (1775 – 1827). Susunannya tediri dari  lempeng tembaga (Cu) sebagai elektroda positif atau anoda, lempeng  seng (Zn) sebagai elektroda negatif atau katoda  dan asam sulfat (H₂SO₄) encer sebagai larutan elektrolitnya (pelajari gambar 3.5.11).

	Ketika dihubungkan konduktor dari katoda  akan dilepaskan sejumlah  elektron. Elektron yang dilepaskan ini  ditangkap oleh anoda. Reaksi ion seng dengan larutan elektrolit  membentuk  gelembung hidrogen yang menyelimuti anoda. Kondisi ini  menyebabkan aliran arus listrik terhenti.
Gambar 3.5.11 . Elemen volta

b.     Elemen Kering atau Batu Batere

Batu batere tersusun dari tiga bagian penting, yaitu elektroda positif atau anoda, elektroda negatif atau katoda dan bahan pengisi berupa senyawa kimia elektrolit.

Gambar 3.5.12. A. Batu batere

       B. Susunan batu batere

Yang berfungsi sebagai anoda adalah batang karbon, sedangkan plat seng menjadi katodanya.  Pasta amonium Klorida (NH₄Cl) sebagai  larutan elektrolit, campuran magnesium-oksida (MnO₂) dan karbon (C) berfungsi untuk mencegah terjadinya polarisasi atau pepenempelan gelembung  hidrogen pada batang karbon. Kondisi  seperti ini  dapat menurunkan kuat arus.

Beda potensial antara kutub-kutub batu batere tidak permanen. Ketika  dipakai  nilainya   berangsur-angsur turun hingga  nol. Batere tidak berfungsi lagi jika selisih potensialnya nol.  

Saat  sedang digunakan di dalam batu batere terjadi reaksi pelepasan dan penangkapan elektron. Elektroda negatif g  melepaskan elektron, selanjutnya elektron tersebut ditangkap elektroda positif. Akibatnya sekitar elektroda negatif terbentuk ion positif seng. Ion-ion tersebut  akan bereaksi dengan amonium klorida membentuk  seng klorida, gelembung gas hidrogen dan amonia. Karena reaksi ini  jumlah amonium klorida berkurang sedikit demi sedikit sampai habis. Batu batere tidak berfungsi  lagi bila persediaan amonium kloridanya habis.

                                

c.     Sel Aki

Aki termasuk elemen sekunder dengan asam sulfat (H₂SO₄) encer sebagai larutan elektrolitnya. Jenis elemen ini bisa diisi ulang melalui pengecasan. Bagian-bagian pentingnya  meliputi : tabung luar yang  terbuat dari bahan fiber, larutan elektrolit dan sel-sel aki. Setiap sel aki memiliki lempeng timbal murni (Pb) yang berfunsi sebagai elekroda negatif dan timbaldioksida (PBO₂)  sebagai elektroda positif.  Beda potensial dari masing-masing sel aki berkisar antara 1,5 – 2,0 volt.

Gambar 3.5.13. A. Sel aki

        B. Susunan sel aki

Pada saat aki digunakan elektroda negatif timbal murni (Pb) melepaskan elektron dan ditangkap oleh elektroda positif timbal dioksida (PbO₂). Dengan melepaskan elektron maka timbal akan  membentuk ion Pb²⁺. Dalam larutan elektrolit asam sulfat  (H₂SO₄) juga terbentuk ion H²⁺ dan SO₄⁼. Reaksi antara ion timbal (Pb²⁺.) dengan ion sulfat (SO₄⁼.) membentuk senyawa timbal sulfat (PbSO₄). Senyawa ini berkumpul di sekitar lempeng timbal sehingga dapat menghambat aliran arus listrik. Pembentukan timbal sulfat akan berjalan terus sampai larutan asam sulfat menjadi sangat encer. Jika larutan asam sulfat sudah sangat encer  aki harus diisi ulang atau di cas.

Pengecasan aki dilakukan dengan  menghubungkan kutub-kutub aki dengan kutub-kutub sumber arus searah. Masuknya arus listrik melalui kutub-kutub aki menyebabkan plumbum sulfat terurai lagi menjadi ion.  Selanjutnya ion hasil penguraian tersebut membentuk kembali asam sulfat

Catatan : Dalam penggunaan aki terjadi perubahan energi kimia  menjadi energi listrik. Dalam pengisian ulang aki terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia.

Gambar 3.5.14. Rangkaian pengecasan aki

Battery charger adalah alat listrik yang memiliki kemampuan untuk mengubah arus bolah balik (AC) menjadi arus searah. Alat ini digunakan untuk mengisi ulang aki. Caranya titik input dari Battery charger dihubungkan dengan arus AC sedang titik output dibubungkan ke  kutub-kutub aki.

2.   Mesin Pembangkit Listrik

Mesin pembangkit listrik yang banyak digunakan sekarang ini menerapkan sistem induksi.  Energi pembangkitnya bisa berupa bahan bakar minyak bumi atau disel, tenaga air, cahaya matahari, tenaga uap atau panas bumi, biomassa atau bioenergy.

a.   Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD)

PLTD adalah pembangkit listrik yang menggunakan mesin diesel sebagai penggerak awalnya. Mesin diesel  berperan penting dalam menghasilkan tenga mekanis untuk memutar rotor generator listrik. Energi pembangkitnya berasal dari bahan bakar minyak bumi jenis solar.  PLTD banyak digunakan  Perusahan Listrik Negera (PLN) kita. Selain mudah didapat ukuran mesinnya bisa disesuaikan dengan kebutuhan.  Meski demikian emisi atau gas buangannya cukup mencemarkan udara.

Mesin diesel menggunakan sistem kompresi. Penyalaan bisa berlangsung  melaluisemprotan bahan bakar ke dalam ruang pembakaran dengan tekanan dan suhu tinggi. Makin naiknya tekanan dan suhu dalam ruang pembakaran menghasilkan energy yang cukup untuk memutar engkol diesel. Selanjutnya putaran engkol akan menggerakan rotor generator.

Keterangan :

1.   Tangki bahan bakar 2.   Penyaring bahan bakar 3.   Tangki  bahan bakar bersih 4.   Pengabut atau nozel 5.   Mesin diesel 6.   Turbo charger

7.        Penyaring gas buangan 8.        Saluran pembuangan gas 9.        Generator 10.     Travo 11.     Saluran transmisi

Gambar 3.5.15. Sketsa mesin PLTD

b.   Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

PLTA adalah mesin listrik yang menggunakan tenaga air sebagai penggerak generatornya. Air sebagai energi penggerak dapat diperoleh dari sungai yang disalurkan secara langsung disalurkan untuk  memutar turbin, atau dengan cara  ditampung dahulu dalam waduk sebelum disalurkan.

Mesin listrik yang memanfaatkan tenaga air terdiri dari tiga bagian utama, yaitu aliran air, turbin dan generator. Aliran air secara terus menerus akan menghasilkan sejumlah energi mekanik yang dimanfaatkan untuk memutar roda turbin. Gerakan turbin menyebabkan rotor generator penghasi; arus listrik ikut berputar.  Beda potensial listrik generator sangat tergantung pada kecepatan putaran roda turbin. Makin cepat putaran turbin makin besar beda potensial listrik.

Karna tidak menggunakan bahanbakar minyak maka PLTA rwemasuk teknologi yang cukup rama lingkungan. Tidak ada emisi buangan yang mencemarkan lingkungan sekitar.  Pelajari gambar 3.5.16. di bawah ini.

Gambar 3.5.16. Sketsa mesin PLTA

Katup pengatur berfungsi untuk mengatur jumlah air yang masuk ke  penstock melalui Headrace tunnel.  Penstok berperan penting dalam mengarahkan air menuju turbin. Surge tank, berfungsi sebagai pengaman tekanan air yang naik mendadak  saat katup pengatur  air kea rah turbin ditutup.

c.    Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)

PLTP menggunakan energi uap panas yang diambil dari perut bumi. Panas dari perut bumi dikeluarkan melalui sumur-sumur kemudian dikumpulkan untuk menggerakan turbin.

Gambar 3.5.17. Sketsa mesin PLTP sistem Binary cycle

Pada pembangkit listrik dengan memanfaatkan panas bumi energi kalor dari uap panas dimanfaatkan untuk menggerakan turbin. Selenjutnya energi mekanik turbin dipakai untuk memutar rotor generator. Akhirnya  dihasilkan sejumlah energi  dalam bentuk arus listrik. Senyawa iso-Butana dalam sistem ini  berfungsi untuk menurunkan titik didih air. Air bisa mendidih di bawah suhu 100^oC.  Air mendidih yang mengalir melalui tangki Head Exchanger  diubah menjadi uap. Setelah melakukan tusnya memutar turbin uap didinginkan kembali dalam system kondensor.

Gambar 3.5.18. Pembangkit listrik tenaga panas bumi

Di Islandia  (©2013 Softpedia.com)

d.   Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

PLTN adalah mesin listrik yang energi awalnya diperoleh dari uap panas yang dihasilkan melalui reaksi nuklir. Energi panas yang dihasilkan melalui reaksi nuklir digunakan untuk mengubah air dingin menjadi uap panas. Uap tanas tersebut dimanfaatkan untuk menggerakan turbin. Selanjut energi mekanik turbin akan memutar rotor generator listrik. Bahan bakar reaksi nuklir berupa batang logam berisi bahan radioaktif yang berbentuk pelat.

 Bagian utama dari sebuah sistem PLTN meliputi, sebuah sel reaktor nuklir, generator uap, turbin, kondensator atau pengembun uap dan generator listrik.

Gambar 3.5.19. Sketsa mesin PLTN

Reaksi fisi atau pemecahan inti dalam sel reactor akan membebaskanpanas yang sangat tinggi. Kelebihan neutron dalam teras reaktor akan diserap oleh batang kendali.  Panas dari sel reaktor dasalurkan  ke tangki generator uap. Aliran air dingin yang melalui generator uap segera diubah menjadi uap panas. Energi uap panas yang dihasilkan ini akan menggerakan turbin. Uap panasyang meninggalkan turbin akan mengalami pengembunan dalam kondensor. Selanjutnya dikirim kembali ke generator uap.

Gambar 3.5.20. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Gundremmingen

di Jerman  (©2016 Techworm)

e.   Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)

PLTS adalah pembangkit listrik dengan energi awalnya berasal dari radiasi cahaya matahari. Sistem ini sangat rama lingkungan karena tidak memiliki limbah berupa  gas pencemar. Kebanyakan listrik surya yang digunakan sekarang ini   dirangkaikan dari empat komponen utama, yaitu :

Panel surya;  Merpakan komponen penangkap radiasi cahaha matahari. Terbuat dari bahan Kristal silikon  dalam bentuk lempengan sel  surya. Biasanya satu modul panel suria terdiri dari beberapa lempeng sel surya yang disusun seri-paralel. Rata satu sel mampu menghasilkan tegengan listrik 0,45 volt. Makin banyak sel makin besar tengan yang dihasilkan suatu modul panel surya.

Charge controller; adalah alat pengecasan. Fungsinya mengumpulkan arus searah dari panel surya dan mengisi batere atau aki. Arus yang keluar dari charge controller masih dalam bentuk arus searah.

Inverter; Berfungsi untuk mengubah  arus searah (DC) menjadi arus bolak balik (AC). Alat ini sangat diperlukan karena banyak diantara peralatan rumah tangga  atau kantor yang kita gunakanmemerlukan arus AC.

Batere atau Aki; merupakan kompenen penyimpan arus dalam jumlah tertentu. Banyaknya arus yang dikumpulkan menentukan ukuran sebuah batere atau aki.

Gambar 3.5.21. Sistem rangkaian listrik tenaga surya

f.     Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa (PLTBM)

PLTBM adalah sistem pembangkit listrik yang memanfaatkan tenaga biomassa. Biomasa merupakan bahan-bahan yang bersal dari makhluk hidup   seperti jaringan tubuh tumbuhan dan hewan, kotoran hewan, limbah industri dan berbagai sampah organik yang dibuang penduduk. Energi yang dihasilkan melalui pengolahan bahan-bahan biomassa ini disebut bioenergi.

Bioenergi termasuk  salah satu sumber energi baru yang bisa dipakai sebagai pengganti  energi bahan bakar fosil minyak bumi. Dibanding minyak bumi sumber energi yang berasal dari bahan organik ini memiliki kelebihan antara lain : Dapat diperbaharui karena berasal dari bahan organik pembentuk tubuh makhluk hidup dan rama lingkungan karena bahan buangannya tidak mengandung gas pencemar serta mudah terurai.  Karena persediaannya bias diperbaharui terus menerus  maka bioenergi termasuk sumber energi terbarukan.  Kalau minyak bumi berasal dari bahan fosil  dengan demikian maka persediaannya akan terus berkurang sampai habis. Menurut data Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) tahun 2006, cadang minyak bumi Indonesia hanya tersisa 9 miliar barel saja.  Jika penggalian atau eksploitasinya mencapai 500 juta barel per tahun maka 20 tahun lagi cadangan ini akan habis.

Jenis bioenergi yang bisa dipakai sebagai pengganti bahan bakar mesin listrik antara lain :

1.    Biodisel ; Merupakan bioenergi yang diolah  dari minyak nabati, baik baru maupun bekas pakai melalui proses esterifikasi atau transesterifikasi.

2.    Bioetanol; Adalah bahan alcohol yang disuling dari zat tepung dan serat tumbuhan seperti singkong dan tetes tebu.  Pada kadar alkohol 99,5 – 100 % bias dipakai secara langsung sebagai pengganti bahan bakar minyak.

3.    Biogas; Merupakan jenis gas cair yang diproses dari bahan-bahan organik yang mengandung gas metana. Contohnya seperti pada kotoran hewan. Biogas juga bias digunakan secara langsung sebagai bahan bakar.

Selain sebagai bahan bakar cair, ada juga jenis bioenergi yang tersedia dalam bentuk arang biopriket. Bahan-bahan tersebut dipakai untuk menghasilkan  energi dalam bentuk uap panas melalui pembakaran.

Gambar 3.5.22. Sketsa Pembangkit listrik tenaga biomassa