Prinsip Kerja Elemen

PRINSIP KERJA ELEMEN

     A. Pengantar. 

         Sebagaimana kita ketahui, perkembangan teknologi informasi saat ini berkembang dengan pesatnya. Baru saja perusahaan Nokia mengeluarkan fitur HP baru, kemudian bulan berikutnya keluar model baru lagi. Dapatkah HP tersebut bekerja jika tidak ada sumber arus listrik ? Salah satu contoh sumber arus listrik yang sering kita jumpai adalah : Sel kering yang disebut baterai. Bagaimana cara kerja sumber arus tersebut ? Mari kita ikuti pembahasan berikut ini. 

B. Konsep GGL.

Aliran arus listrik dalam suatu rangkaian tertutup, dapat diibaratkan dengan aliran air pada sebuah tangki pengisi air. ( Perhatikan gb. 3.1 ).

Air selalu mencari tempat yang lebih rendah, oleh karena itu air hanya akan mengalir pada pipa dari atas ke bawah. Ketika air sudah sampai di pipa bagian bawah, air tidak mampu kembali ke atas lagi tanpa adanya bantuan dari alat pendorong ( pompa air ).

Hal ini dapat dianalogikan, jika elektron mengalir pada suatu rangkaian tertutup, diibaratkan sebagai air, elektron tidak mungkin dapat mengalir dalam rangkaian jika tanpa adanya bantuan dari suatu alat yang menyerupai pompa air yang mampu mendorong elektron tersebut untuk terus bergerak. Alat dimaksud tiada lain adalah : GGL ( gaya gerak listrik ).

Dari analogi tersebut, pompa mendorong air dari tempat yang rendah ( potensial rendah ) ke tempat yang lebih tinggi ( potensial tinggi ). Begitu juga yang terjadi di dalam baterai. Baterai mendorong elektron untuk bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi sehingga elektron selalu bergerak melalui rangkaian tertutup.

            Beda potensial antara kutub-kutub baterai sebelum elektron dialirkan ( dipompakan ) disebut : gaya gerak listrik ( GGL ) yang diberi lambang E. Sedangkan beda potensial antara kutub-kutub baterai setelah elektron dialirkan disebut : Tegangan jepit yang diberi lambang V.  

C. Elemen sebagai Sumber arus listrik
     a. Pengertian Elemen
              Elemen adalah suatu sumber arus listrik yang dihasilkan dari reaksi kimia. Pada dasarnya elemen dapat dibedakan menjadi dua, yaitu : 
 1. Elemen Primer, yaitu Elemen yang ketika energinya telah habis digunakan tidak dapat diisi ulang.   Contohnya : Elemen Volta, Elemen Leclance, Elemen Daniel, Baterai (Elemen kering)
2. Elemen Sekunder, yaitu Elemen yang ketika energinya telah habis digunakan masih dapat diisi ulang. Contohnya : Akumulator (Aki), Baterai Nikel Cadmium (Ni-Cd), Nikel Metal Hidrat (Ni-MH), Baterai Lithium Ion.  
Ada beberapa kelebihan, Elemen Sekunder jika dibandingkan dengan Elemen Primer, antara lain : 
Elemen Sekunder lebih tahan lama, Arus listrik yang dihasilkan lebih besar, dapat diisi ulang (diCas) 

    b. Cara kerja Elemen
              Telah kita ketahui bahwa, arus listrik dapat mengalir jika ada beda potensial antara dua titik dalam rangkaian tertutup. Untuk menimbulkan beda potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian listrik selalu diperlukan “ Sumber arus listrik “ seperti Elemen. Dalam sub bab ini akan diambil beberapa contoh pembahasan  mengenai cara kerja dari : 1) Elemen Volta, 2) Baterai, dan 3) Akumulator.
 1) Elemen Volta 
             Elemen ini ditemukan oleh Allessandro Volta. Bagian utama pada elemen ini antara lain :
     Kutub anoda ( + ) : terbuat dari Lempeng tembaga ( Cu )
     Kutub katoda ( - ) : terbuat dari Lempeng seng ( Zn )
     Elektrolitnya         :  dari Larutan asam sulfat ( H₂SO_4­ )
     Secara sederhana elemen volta dapat digambarkan sebagai berikut :

Ketika kutub anoda dan katoda dihubungkan dengan sebuah penghantar melalui sebuah lampu pijar L, maka lampu L akan menyala sebentar kemudian meredup dan akhirnya padam. Mengapa demikian ? Padamnya lampu pada peristiwa tersebut dinamakan terjadi Polarisasi ( pengutuban ) pada salah satu lempeng elemen. Pada saat terjadi aliran arus, pada lempeng seng akan menghasilkan gelembung-gelembung gas Hidrogen dan bergerak menuju lempeng Cu, kemudian gas-gas Hidrogen tersebut menutup seluruh permukaan Cu yang menyebabkan terhambatnya aliran arus listrik sehingga lampu L meredup dan akhirnya padam. 
Adapun Reaksi Kimianya dapat dijelaskan sebagai berikut:  
 @ Reaksi di Anoda ( + ) :
     2 H ⁺  + e    -------- >   H₂ 
     H₂  + Cu  +  H₂SO₄   ---------- >   CuSO₄   +  2 H₂ 
  @ Reaksi di Katoda ( - ) :
       SO₄ ^2-  - 2e  --------- >   SO₄ 
       SO₄   +  Zn  --------- >   ZnSO₄

2) Baterai

            Disebut pula dengan sel kering ( dry cell ) karena sel ini tidak mengandung cairan. Sel kering yang paling sering kita jumpai di pasaran biasanya berupa sel Karbon – Seng.Pada sel karbon – seng, arus listrik timbul akibat tegangan Zn lebih kecil dari tegangan batang C, sehingga arus listrik mengalir dari C ke Zn melalui penghantar luar. Secara sederhana baterai dapat digambarkan sebagai berikut :

3) Akumulator (Aki)
               Akumulator termasuk ke dalam jenis sel sekunder, artinya sel ini dapat diisi ulang ketika energinya telah habis digunakan. Oleh karenanya, sesuai penggunaannya pada aki dapat dijelaskan sebagai berikut :   
a.  Aki pada saat digunakan : 
Secara sederhana aki saat digunakan dapat digambarkan sebagai berikut : 

Terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik Komponen-komponen utama : 
 Kutub anoda ( + ) : PbO₂   menjadi PbSO₄ 
 Kutub katoda ( - ) : Pb  menjadi PbSO₄  
 Elektrolit               : H₂SO_{4 pekat} menjadi H₂SO_{4  encer} 
  @ Reaksi di anoda ( + ) : 
       2 H ⁺  + e   ------------- >  H₂ 
       H₂  + PbO₂  +  H₂SO₄   --------- >  PbSO₄  + 2 H_{2
   @}  Reaksi di katoda ( - ) : 
       SO₄  ^2-  - 2e   ----------- >  SO₄  
       SO₄  + Pb  --------- >  PbSO₄  
 
b. Aki Saat diisi (diCas)
    Secara sederhana aki saat diisis (diCas) dapat digambarkan sebagai berikut :

Terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia
Komponen-komponen utama :
Kutub Anoda (kutub +) : PbSO4 menjadi PbO2
Kutub Katoda (kutub -) : PbSO4 menjadi Pb
Elektrolitnya                  : H₂SO_{4  encer}  menjadi H₂SO_{4  pekat} 
@ Reaksi di anoda ( + ) : 
     SO₄ ^2-  - 2e  --------- >  SO₄ 
     SO₄  +  PbSO₄  + 2 H₂O  -------- >  PbO₂  +  2 H₂SO_{4  pekat} 
@ Reaksi di katoda ( - ) :
    2 H ⁺  + e   ------------- >  H₂  
    H₂  +  PbSO₄   --------- >  Pb  +  H₂SO_{4  pekat}

C. Rangkaian (susunan) Elemen
                  Elemen dapat disusun secara seri maupun paralel, sesuai dengan tujuan yang diingi
    Untuk menghasilkan arus listrik yang besar, maka elemen perlu disusun secara paralel.  Sedangkan     untuk memperoleh tegangan GGL yang besar, elemen perlu dirangkai secara seri.

Ø  Rangkaian elemen seri :

Pada susunan elemen seri, tegangan yang dihasilkan merupakan jumlah dari masing-masing tegangan meski dengan arus kecil.

Ø  Rangkaian elemen paralel :

Pada susunan elemen paralel, tegangan yang dihasilkan sama dengan tegangan satu elemen. Pada susunan ini arus listrik yang dihasilkan cukup besar meski dengan tegangan kecil.