Baterai (Elemen Kering)

Baterai atau elemen kering adalah salah satu alat listrik yang berfungsi sebagai penyimpan energi listrik dan mengeluarkan tegangan dalam bentuk listrik (sebagai sumber tegangan). Simbol baterai pada suatu rangkaian listrik dengan tegangan DC atau rangkaian elektronika :

Pada umumnya baterai terdiri dari tiga komponen yang penting yaitu :

1. Batang karbon (C) sebagai anode (kutub positif baterai).
2. Seng (Zn) sebagai katode (kutub negatif baterai)
3. Amonium dioksida (NH4CI) sebagai larutan elektrolit (penghantar)

Terdapat dua jenis baterai yaitu :

1. Baterai Primer 

Baterai adalah baterai yang hanya dapat digunakan sekali, menggunakan reaksi kimia yang tidak dapat dibalik (irreversible reaction).  pada umumnya dijual adalah baterai yang bertegangan listrik 1,5 volt.

2. Baterai Sekunder

Baterai sekunder atau biasanya disebut rechargeable battery adalah baterai yang dapat di isi ulang menggunakan reaksi kimia yang bersifat dapat dibalik (reversible reaction) biasanya digunakan pada telepon genggam.

Baterai disebut elemen kering karena elektrolitnya merupakan campuran antara serbuk karbon, batu kawi, dan, salmiuak berbentuk pasta kering .batang karbon memiliki potensi yang tinggi, sedangkan lempengan seng memiliki potensial rendah. jika kedua elektrode dihubungkan dengan suatu beban (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 :

Pada dipolarisator terjadi reaksi :

Reaksi kimia pada batu baterai menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen akan ditangkap dan bereaksi dengan dipolarisator yang berupa mangan dioksida menghasilkan air, sehingga pada baterai tidak terjadi polaritas gas hidrogen yang mengganggu jalannya arus listrik. bahan yang dapat menghasilkan polarisasi gas hidrogen disebut dipolarisator.

Baterai sebagai alat untuk menyimpan energi listrik sekaligus sumber tegangan (Catu daya DC) tentu saja juga memiliki nilai hambatan atau resistansi. nilai hambatan tersebut dapat diketahui dengan cara melakukan pengukuran arus dan tegangan pada catu daya tersebut.

Gambar. Rangkaian pengukuran hambatan pada baterai

Catu daya DC 4,5V, dipasang resistor variabel yang memiliki nilai dapat diatur besarnya 0 - 500Ω. Tahanan pada ampermeter diketahui besarnya RiA<0,1Ω. Untuk memperoleh tahanan dalam catu daya DC dilakukan pengukuran dengan mengatur tahanan RL, kemudian dicatat data pengukuran tegangan V dan arus A, yang dibuat dalam bentuk tabel dibawah ini.

Tabel Pengukuran nilai Hambatan, Arus, Tegangan, dan Daya pada baterai.

Dengan data pengukuran tegangan dan arus maka tabel daya dapat diisi dengan menggunakan persamaan berikut :

P = V x I

Keterangan :

P  = Daya (W)

V = Tegangan yang terukur (V)

I   = Arus yang terukur (I)

Dari tabel tersebut dapat dibuat sebuah grafik karakteristik tegangan fungsi arus seperti gambar dibawah ini.

 Grafik. Karakteristik tegangan dan fungsi arus

Pada grafik karakteristik tegangan fungsi arus, ditarik beban dapat ditarik pada dua titik, yaitu pada saat tegangan tanpa beban besarnya 13,1V dan saat terjadi hubung singkat 3,42A. Dari tabel tersebut diperoleh baris daya akan meningkat maksimum sampai 11,4W dan kemudian menurun kembali. Saat terjadi daya maksimum tercatat tegangan besarnya 6,8V dan arus 1,67A. Titik tersebut sebagai daya maksimum di titik A. Di titik A ini jika nilai RL bisa membesar atau jika digeser akan mengecil.

Grafik. Karakteristik daya fungsi arus

Karakteristik daya fungsi arus merupakan ploting dari  tabel diatas. tampak garis daya melengkung dari kecil kemudian membesar sampai mencapai titik daya maksimum di titik Pmak. Jika tahanan RL diturunkan dan arus main meningkat daya justru menurun kembali. Saat dititik Pmaks. Yang terjadi adalah besarnya RL = Ri, dimana Ri merupakan tahanan dalam catu daya DC.

Hukum Kirchhoff-Tegangan

Hukum Sirkuit Kirchhoff adalah dua buah persamaan yang membahas kekekalan muatan dan energi dalam suatu rangkaian listrik. Hukum ini dikemukakan oleh ilmuwan Jerman bernama Gustav Kirchhoff tahun 1845. Kedua hukum sirkuit ini diturunkan dari persamaan Maxwell dan menggunakan rumus perhitungan dari Georg Ohm untuk menghasilkan hukumnya.
Hukum kirchhoff tegangan disebut juga sebagai Hukum kedua Kirchhoff Hukum loop (putaran) Kirchoff, dan KVL (Kirchhoff's Voltage Law). Hukum Kirchhoff-tegangan menyatakan bahwa dalam rangkaian loop tertutup, jumlah aljabar tegangan dalam cabang tertutup hasilnya nol.

Gambar aplikasi hukum tegangan

Istilah lain jumlah drop tegangan sama dengan tegangan sumber tegangan. Tanda sumber tegangan berlawanan dengan tanda drop tegangan disetiap Resistor.

Persamaan hukum Kirchhoff-tegangan :

Keterangan :
V   = Tegangan sumber
V1 = Drop tegangan R1
V2 = Drop tegangan R2

Contoh Soal :
1. Suatu rangkaian dengan sumber tegangan DC 10V, dirangkai dengan empat buah Resistor 10 Ω, 47 Ω, 100 Ω, dan X Ω. Berapakah nilai resistor X dengan menggunakan hukum kirchhoff tegangan jika arus yang mengalir 20 mA ?

Diketahui : Vs = 10 V
                   R1 = 10 Ω
                   R2 = 47 Ω
                   R3 = 100 Ω
                   I     = 20 mA = 0,02 A
Ditanya    : R4  = ?
Jawab       :
Langkah  pertama menghitung tegangan masing-masing resistor yang diketahui :

Langkah ke dua menggunakan rumus hukum kirchhoff tegangan untuk menghitung V4

Langkah ketiga, mengunakan hukum ohm untuk menghitung R4

Hukum kirchhoff tegangan dapat digunakan sebagai cara untuk membagi tegangan (voltage devider).

Gambar rangkaian pembagi tegangan 

Contoh soal:

2 buah resistor 100 Ω dan  47 Ω dihubungkan dengan sumber tegangan baterai 10 V. Berapakah nilai tegangan pembagi pada  tiap ujung R2?

Diketahui : R1 = 100 Ω

                   R2 = 47 Ω

                   Vs = 10 V

Ditanya   :V_R2 = ?

Jawab      :

   Langkah pertama, menghitung nilai tahanan pengganti Rp :

  

   Langkah kedua, menghitung nilai tegangan pembagi : 

Hukum Kirchhoff-Arus (Hukum Kirchhoff I)

Hukum Sirkuit Kirchhoff adalah persamaan yang membekas kekekalan muatan dan energi dalam suatu rangkaian listrik.  Hukum tersebut dikemukakan oleh ilmuwan Jerman bernama Gustav Kirchhoff pada tahun 1845. Kedua hukum tersebut diturunkan dari persamaan Maxwell, tapi Kirchhoff ada sebelum Maxwell dan menggunakan pekerjaan dari Georg Ohm untuk menghasilkan hukumnya.

Hukum Kirchhoff arus juga disebut dengan Hukum Kirchhoff Pertama, Hukum titik Kirchhoff, Hukum percabangan Kirchhoff, dan KCL (Kirchhoff Current Low).

Prinsip kekekalan muatan listrik mengatakan bahwa "Pada setiap titik percabangan dalam rangkaian listrik, jumlah dari arus yang masuk kedalam titik itu sama dengan jumlah arus yang keluar dai titik tersebut atau jumlah arus pada sebuah titik nol".

I1 + I2 = I3 + I4 + I5

Hukum kirchhoff-arus menyatakan bahwa dalam rangkaian loop tertutup, jumlah arus yang masuk ke dalam suatu titik sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut.

Hukum Kirchoff I ini  sering diterapkan pada kehidupan sehari-hari, di mana suatu beban listrik dirangkai secara paralel antara satu dengan yang lainnya. Sehingga hasilnya adalah arus total memiliki nilai sama dengan jumlah arus tiap cabang beban.

Persamaan hukum kirchhoff arus :

Keterangan :

I_{input 1}    = Nilai arus masuk 1 (A)
I_{input 2}    = Nilai arus masuk 2 (A)
I_{input (n)} = Nilai arus masuk n (A)
I_{output 1} = Nilai arus keluar 1 (A)
I_{output 2} = Nilai arus keluar 2 (A)
I_{output (n)} = Nilai arus keluar n (A)

Contoh soal :

Dua buah resistor dirangkai secara paralel dan dihubungkan degan sumber tegangan DC 12V. Jika nilai masing masing resistor adalah 1KΩ, dan 2,2KΩ, maka tentukan besar arus listrik yang mengalir pada masing-masing resistor dan arus listrik total sumber!

Diketahui : Vs = 12V
                   R1 = 1KΩ = 1000Ω
                   R2 = 2,2KΩ = 2200Ω
Ditanya    : I_R1 = ?
                   I_R2 = ?
                   It    = ?
Jawab       :
Arus pada resistor 1 :

Arus pada resistor 2 :

Arus total :

Tahanan (Hambatan) Penghantar Listrik

Syarat suatu zat atau benda disebut penghantar listrik (konduktor) adalah benda tersebut memiliki nilai hambatan yang kecil, pada umumnya benda yang memiliki nilai hambatan kecil terbuat dari logam. Pengahantar dari bahan metal dapat dengan mudah mengalirkan arus listrik yang sering digunakan adalah tembaga dan aluminium karena memiliki daya hantar listrik yang tinggi dan harga bahannya lebih murah dibandingkan dengan emas dan perak.

Suatu zat (khususnya penghantar berupa logam) pada umumnya terdiri dari sekumpulan atom, setiap atom terdiri dari proton. Pada suatu logam yang menghantarkan listrik, elektron adalah aliran arus listrik merupakan aliran elektron.

Gambar kumpulan atom membentuk material

Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya. Akibatnya terjadi gesekan elektron dengan atom dan ini menyebabkan listrik dapat mengalir. tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan.

Beberapa contoh logam yang digunakan sebagai bahan penghantar adalah emas, perak, tembaga, aluminium, zink, besi. Benda-benda tersebut merupakan logam yang memiliki nilai hambatan terkecil adalah emas, dan terbesar adalah besi. Dengan memiliki nilai hambatan yang kecil maka memungkinkan bagi benda-benda tersebut untuk menghantarkan arus listrik.

Berikut ini adalah salah satu pengalaman yang pernah saya lakukan di awal SMK :
Suatu kapasitor yang menyimpan energi listrik kedua ujungnya dihubungkan pada logam, maka akan muncul percikan api akibat hubung singkat. hubung singkat tersebut terjadi karena logam tersebut memiliki nilai hambatan yang relatif kecil sehingga terjadi per gesekan antara elektron dan proton yang menghasilkan percikan api.

Bila logam tersebut dililit (dirubah menjadi bentuk lilitan) kemudian dihubungkan pada kapasitor serupa maka tidak akan terjadi hubung singkat, melainkan lilitan logam tersebut akan menjadi panas karena lilitan logam tersebut memiliki memiliki nilai hambatan yang baik.

Rumus tahanan penghantar :

R = Tahanan penghantar (Ω)
G = Konduktivitas (Ω^-1)

Contoh Soal :
Kawat penghantar memiliki hambatan R = 1 Ω, 2 Ω, 4 Ω, 8 Ω. Berapakah besarnya konduktivitasnya ?
Diketahui : R = 1 Ω
R = 2 Ω
R = 4 Ω
R = 8 Ω
Ditanya : G = ?
Jawab :

Arus Listrik pada Penghantar Logam

Penghantar dalam teknik elektronika adalah zat yang dapat digunakan untuk menghantarkarkan arus listrik baik berupa padat, cair, atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka disebut kunduktor. Kunduktor memiliki tahanan jenis yang kecil.

Logam merupakan penghantar listrik yang baik seperti tembaga, besi, aluminium. Struktur logam terbentuk dari sesuatu yang disebut atom logam. Atom logam memberikan semua elektron valensinya (elektron-elektron pada lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positif. Dalam logam terdiri atas proton bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif.

Gambar atom terdiri atas proton dan elektron

Aliran listrik merupakan aliran elektron artinya elektron bergerak dari yang beda potensinya tinggi menuju yang lebih rendah atau dari terminal positif menuju terminal negatif .

Gambar aliran listrik merupakan aliran elektron

Keterangan:
1. Sumber Arus listrik
2 dan 3. Amper meter
4 dan 5. Arah arus listrik
6 dan 7. Gerakan elektron
8. Beban
9. Arah tegangan

Tiap logam memiliki jumlah atom yang berbeda, sehingga ada logam yang mudah mengalirkan arus listrik karena konduktifitas yang baik. ada logam yang konduktifitas arus listriknya lebih kecil.

Tahanan (Hambatan) Penghantar Dipengaruhi Temperatur

Pada dasarnya tahanan suatu konduktor dipengaruhi oleh 4 faktor :
1. Berbanding lurus panjang penghantar
2. Berbanding terbalik dengan penampang penghantar
3. Jenis bahan penghantar
4. Temperatur penghantar

Faktor 1-3 telah dijelaskan pada artikel :

Hambatan pada Kawat Penghantar

Pada artikel kali ini akan menjelaskan tentang Faktor yang ke 4 pada tahanan penghantar  yaitu temperatur penghantar. Ketika temperatur suatu logam yang dialiri arus listrik meningkat maka ikatan atom semakin meningkat dan mengabaikan aliran elektron (arus listrik tersebut) terhambat. Dengan demikian kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar.

Berikut ini adalah persamaan hambatan penghantar yang dipengaruhi oleh kenaikan temperatur atau suhu :

Keterangan :
θ₀ = Temperatur awal (^oC)
θ₁= Temperatur akhir (^oC)
Δθ = Selisih antara temperatur akhir dengan temperatur awal (^oC)
R₀ = nilai hambatan pada suhu mula-mula/suhu ruangan 20^oC (Ω)
R₁ = Nilai hambatan setelah terjadi perubahan suhu (Ω)
α = Koefisien suhu sesuai dengan jenis logam

Tabel koefisien suhu bahan logam penghantar pada suhu ruangan 20^oC

Contoh soal :

Suatu kawat penghantar aluminium pada temperatur 20^oC memiliki tahanan 50Ω, penghantar tersebut dipanaskan hingga temperaturnya meningkat mencapai 100^oC. Berapakah nilai tahanan penghantar ketika temperaturnya mencapai 100^oC?

Diketahui : θ₀ = 20^oC
                   θ₁ = 100^oC
                  R₀ = 50Ω
                    α = 0,004
Ditanya   : R₁ = ?
Jawab      :
      Langkah pertama menghitung selisih temperatur Δθ :

      Langkah kedua menghitung  R₁ :

Kerapatan Arus Listrik

Kerapatan arus adalah besarnya arus yang mengalir tiap satuan luas penghantar dengan satuan amper per mm². Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar, semakin besar penampang penghantar maka kerapatan arus semakin kecil.

Kerapatan arus juga dipengaruhi oleh kenaikan temperatur. suhu suatu penghantar dipertahankan sekitar 30⁰C dimana kemampuan hantar arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA).

persamaan kerapatan hantar arus :

Keterangan :
J = Kerapatan arus (A/mm²)
I = Arus Listrik (A)
A= Luas penampang (mm²)

Contoh soal :
1. Suatu kawat penghantar berukuran 1,5mm², jika dialiri arus listrik sebesar 2A. Maka berapakah nilai :
 a. Kerapatan arus
 b. Luas penampang dan kerapatan arus  jika diameter kawat 0,7 mm

 a. Kerapatan arus
     Diketahaui : I  = 2 A
                       A = 1,5 mm²
     Ditanya     : J  = ?
     Jawab :

b. Luas penampang dan kerapatan arus jika diameter kawat 0,7 mm
    Diketahui : I = 2 A
                     d = 0,7 mm
                     r  = d/2 = 0,7mm / 2 = 0,35mm
    Ditanya   : A = ?
                     J  = ?
    Jawab:

Rangkaian Kapasitor (Seri, Paralel, dan Campuran)

Kapasitor yang dijual masing-masing memiliki nilai kapasitas tertentu. untuk membuat suatu nilai kapasitas kapasitor yang tidak dijual di pasaran dapat dilakukan dengan merangkai kapasitor secara cara seri, paralel atau pun campuran seperti resisitor, yang membedakan adalah cara perhitungannya.

    A. Rangkaian Deret (Seri)

Beberapa kapasitor yang dirangkai disebut rangkaian seri apabila setiap ujung kapasitor dirangkai dengan pangkal kapasitor yang lain dan seterusnya.

nilai kapasitas pengganti atau kapasitas kapasitor yang dirangkai seri (Cs) adalah :

contoh soal :
2 buah kapasitor dirangkai seri dengan nilai C1 = 10mF, dan C2 = 15μF. berapa kah nilai kapasitas penggantinya?
diketahui : C1 = 10mF = 10000μF
                  C2 = 15μF
ditanya    : Cs =?
Jawab      :

     B. Rangkaian Jajar (Paralel)

Suatu rangkaian kapasitor disebut paralel jika antara pangkal dan ujung 1 buah kapasitor dengan yang lain dihubungkan dengan ujung dan pangkal kapasitor lainnya.

Nilai kapasitas pengganti atau kapasitas kapasitor yang dirangkai paralel (Cp) adalah :

Contoh Soal :
3 buah kapasitor dirangkai paralel dengan nilai C1 dan C2 = 1mF, dan C3 = 150μF. hitunglah kapasitas penggantinya?
Diketahui : C1 = 1mF = 1000μF
                   C2 = 1mF = 1000μF
                   C3 = 150μF
Ditanya    : Cp = ?
Jawab       :

   C. Rangkaian Campuran

Jaringan campuran kapasitor merupakan jaringan gabungan antara rangkaian seri dan paralel atau sebaliknya.

Nilai kapasitas penggantinya (Ct) terdiri dari (Cs) kapasitas seri dan (Cp) kapasitas paralel harus dihitung dengan cara menghitung salah satu rangkaian terlebih dahulu. Jika kapasitor dirangkai seri-paralel maka nilai Cs harus dihitung terlebih dahulu kemudian menghitung Ct. jika kapasitor dirangkai paralel-seri maka harus menghitung nilai Cp kemudian menghitung nilai Ct 

Contoh soal :

3 buah kapasitor dihubung seri paralel denagn nilai C1 = C3 = 100μF, dan 50μF. berapa Farad nilai Kapasitas penggantinya?
Diketahui : C1 = 100μF
                   C2 = 50μF
                   C3 = 100μF
Ditanya    : Ct = ?
Jawab       : Kapasitor yang dirangkai seri dihitung terlebih dahulu (C1 dan C2) :

                       Menghitung Ct :