Pelajari berbagai cara menghasilkan listrik, mulai dari reaksi kimia, induksi magnet, hingga cahaya. Ringkas, mudah dipahami, dan menarik!
Cara-Cara Menghasilkan Listrik
Pada bagian ini, kita akan membahas berbagai metode dasar dalam menghasilkan listrik. Beberapa cara yang umum dikenal antara lain:
- Elektrokimia – menghasilkan listrik melalui reaksi kimia.
- Listrik Statis (gesekan) – listrik yang timbul akibat pergesekan dua benda.
- Induksi (magnetisme) – listrik yang dihasilkan melalui pengaruh medan magnet.
- Piezoelektrik (tekanan) – listrik yang muncul akibat adanya tekanan atau getaran pada material tertentu.
- Termal (panas) – listrik yang dihasilkan dari perbedaan suhu atau panas.
- Cahaya – pemanfaatan energi cahaya untuk menghasilkan listrik, misalnya pada panel surya.
- Emisi Termionik – aliran elektron yang dihasilkan dari pemanasan logam.
1. Elektrokimia
Listrik bisa dihasilkan melalui reaksi kimia antara bahan kimia tertentu dengan logam. Reaksi ini menyebabkan terjadinya perpindahan elektron sehingga terbentuk energi listrik. Prinsip ini dikenal sebagai elektrokimia.
Salah satu contoh paling sederhana adalah sel kimia volta. Pada sel ini, reaksi kimia menghasilkan dan menjaga adanya muatan berlawanan pada dua logam berbeda yang berperan sebagai kutub positif dan negatif. Kedua logam tersebut ditempatkan dalam larutan elektrolit.
Jika beberapa sel seperti ini dihubungkan bersama, maka akan terbentuk sebuah baterai yang bisa menyimpan dan menyediakan energi listrik untuk berbagai keperluan sehari-hari.
Gambar di atas memperlihatkan bagaimana dua logam berbeda dalam larutan elektrolit bisa menghasilkan tegangan listrik. Inilah prinsip dasar dari baterai sederhana, yang kemudian dikembangkan menjadi baterai modern yang kita gunakan sehari-hari (misalnya baterai AA, aki mobil, hingga baterai lithium-ion).
Sebuah baterai dapat mempertahankan perbedaan potensial (tegangan) antara terminal positif dan terminal negatifnya melalui reaksi kimia yang terjadi di dalamnya.
2. Listrik Statis
Atom yang memiliki jumlah elektron seimbang di sekeliling intinya berada dalam kondisi netral, atau bisa disebut memiliki “muatan nol.”Benda yang tersusun dari atom-atom netral ini tidak akan saling tarik-menarik maupun tolak-menolak dengan benda lain di sekitarnya.Namun, jika sebagian elektron pada atom benda tersebut hilang—misalnya karena gesekan, seperti saat batang kaca digosok dengan kain sutra—maka benda itu akan menjadi bermuatan positif (seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah).
Ketika batang kaca bermuatan positif ini didekatkan ke benda lain yang netral (tidak menyentuh langsung), akan timbul gaya listrik di antara keduanya karena adanya perbedaan muatan.Fenomena adanya gaya listrik akibat ketidakseimbangan muatan inilah yang disebut listrik statis atau gaya elektrostatik.
Contoh Sederhana Listrik Statis
Pernahkah kamu berjalan di atas karpet lalu tiba-tiba merasa kesetrum kecil saat menyentuh gagang pintu logam?
Hal itu terjadi karena gesekan antara sol sepatu dan karpet membuat tubuhmu menyimpan muatan listrik. Akibatnya, tubuh menjadi bermuatan positif.
Ketika tanganmu menyentuh gagang pintu yang awalnya netral (muatan nol), elektron dari gagang pintu langsung berpindah ke tubuhmu. Perpindahan inilah yang menimbulkan sensasi “kejutan listrik.” Setelah itu, baik tubuhmu maupun gagang pintu memiliki muatan yang seimbang.
3. Induksi Magnetik
Generator adalah sebuah mesin yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan memanfaatkan prinsip induksi magnetik.
Proses ini bisa terjadi dengan dua cara:
- Kumparan kawat berputar di dalam medan magnet yang diam.
- Medan magnet berputar melewati kumparan kawat yang diam.
Dari kedua cara tersebut akan muncul tegangan listrik. Prinsip inilah yang dipakai untuk menghasilkan listrik dalam jumlah besar di berbagai pembangkit listrik.Karena sangat penting, topik tentang induksi magnetik ini akan dibahas lebih mendalam pada bab berikutnya tentang Magnetisme dan Rangkaian Magnetik.
4.Efek Piezoelektrik
Dengan memberikan tekanan pada kristal tertentu (seperti kuarsa atau Rochelle salts) atau keramik tertentu (misalnya barium titanate), elektron dapat terdorong keluar dari orbitnya mengikuti arah gaya yang diberikan.Elektron akan meninggalkan salah satu sisi material dan menumpuk di sisi lainnya, sehingga terbentuk muatan positif dan negatif pada sisi yang berlawanan, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 14.
Ketika tekanan dilepaskan, elektron akan kembali ke orbit semula. Beberapa material memberikan respon terhadap tekanan berupa pembengkokan, sementara yang lain lebih peka terhadap tekanan berupa puntiran. Proses terbentuknya tegangan dengan cara ini disebut sebagai efek piezoelektrik.
Apabila kabel eksternal dihubungkan saat tekanan dan tegangan masih ada, maka elektron akan mengalir dan menghasilkan arus listrik. Jika tekanan dijaga tetap, arus akan terus mengalir hingga perbedaan potensial menjadi seimbang.
Ketika gaya yang diberikan dilepaskan, material tersebut mengalami dekompresi dan secara langsung menimbulkan gaya listrik dengan arah yang berlawanan.Daya yang dihasilkan oleh material ini memang sangat kecil.Namun, material seperti ini sangat bermanfaat karena memiliki tingkat sensitivitas yang tinggi terhadap perubahan gaya mekanis sekecil apa pun
Contoh penerapan efek piezoelektrik bisa ditemukan pada kartrid fonograf kristal yang menggunakan kristal Rochelle salt. Pada perangkat ini, jarum fonograf dipasang langsung pada kristal tersebut. Ketika jarum bergerak mengikuti alur-alur pada piringan hitam, ia akan bergoyang ke kiri dan ke kanan, memberikan tekanan dan pelepasan tekanan pada kristal. Gerakan mekanis inilah yang kemudian menghasilkan sinyal tegangan, dan sinyal tersebut digunakan untuk mereproduksi suara.
5.Thermoelectricity
Termolistrik (Thermoelectricity) – Beberapa jenis material memiliki kecenderungan untuk lebih mudah melepas elektron, sementara yang lain justru lebih mudah menerima elektron.
Sebagai contoh, ketika dua logam berbeda seperti tembaga dan seng digabungkan, akan terjadi perpindahan elektron. Elektron dari atom tembaga akan bergerak menuju atom seng. Akibatnya, seng memiliki kelebihan elektron dan menjadi bermuatan negatif.
Tembaga yang kehilangan elektron akan menjadi bermuatan positif. Kondisi ini menimbulkan beda potensial (tegangan) pada sambungan antara kedua logam tersebut.
Bahkan energi panas pada suhu ruangan sudah cukup untuk membuat logam tersebut melepaskan dan menerima elektron, sehingga menghasilkan tegangan yang bisa diukur. Semakin besar panas yang diberikan pada sambungan, semakin banyak elektron yang dilepaskan, dan tegangan yang muncul juga semakin besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar dibawah ini
Sebaliknya, ketika panas dihilangkan dan sambungan menjadi dingin, muatan yang ada akan hilang secara bertahap dan tegangan pun berkurang. Proses inilah yang disebut termoelektrisitas (thermoelectricity).
Perangkat yang memanfaatkan prinsip ini biasanya disebut termokopel (thermocouple).Tegangan termoelektrik yang dihasilkan oleh sebuah termokopel sangat bergantung pada jumlah energi panas yang diberikan pada sambungan antara dua logam berbeda.Karena sifat inilah, termokopel banyak digunakan untuk mengukur suhu maupun sebagai sensor panas pada berbagai peralatan dengan sistem kontrol suhu otomatis.
Daya listrik yang dihasilkan oleh sebuah termokopel sebenarnya relatif kecil jika dibandingkan dengan beberapa sumber energi lainnya. Namun, kapasitasnya tetap lebih besar dibandingkan kristal piezoelektrik.
Secara umum, termokopel mampu bertahan pada suhu yang jauh lebih tinggi dibandingkan termometer biasa yang menggunakan merkuri atau alkohol.
6.Efek Fotolistrik (Photoelectric Effect)
Cahaya adalah salah satu bentuk energi, dan banyak ilmuwan menganggap cahaya terdiri dari partikel-partikel energi kecil yang disebut foton.Ketika foton dari sebuah berkas cahaya mengenai permukaan suatu bahan, energi dari foton tersebut dapat berpindah ke elektron-elektron atom pada bahan itu.Akibat perpindahan energi ini, elektron bisa terlepas dari orbitnya di sekitar permukaan bahan.
Ketika elektron-elektron tersebut terlepas, material yang peka terhadap cahaya (fotosensitif) akan kehilangan muatan negatif dan menjadi bermuatan positif. Dari sinilah kemudian timbul gaya listrik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini.
Fenomena ini disebut efek fotolistrik dan memiliki banyak sekali penerapan dalam dunia elektronika, seperti pada sel fotoelektrik, sel fotovoltaik, kopler optik, hingga tabung kamera televisi.
Berikut adalah tiga contoh pemanfaatan efek fotolistrik:
- Fotovoltaik
Pada sistem ini, energi cahaya mengenai salah satu dari dua pelat yang digabungkan. Cahaya tersebut membuat salah satu pelat melepaskan elektron ke pelat lainnya. Akibatnya, kedua pelat memiliki muatan berlawanan, mirip seperti sebuah baterai (lihat Gambar 16). - Fotoemisi (Photoemission) Energi dari foton dalam sebuah berkas cahaya dapat menyebabkan permukaan tertentu melepaskan elektron di dalam tabung vakum. Elektron-elektron yang terlepas tersebut kemudian ditangkap oleh sebuah pelat penerima.
- Fotokonduksi (Photoconduction) Ketika cahaya mengenai material yang biasanya bersifat isolator atau penghantar yang sangat buruk, energi cahaya dapat membebaskan elektron di dalam material tersebut. Akibatnya, material itu menjadi lebih baik dalam menghantarkan arus listrik.
7.Emisi Termionik (Thermionic Emission)
Konverter energi termionik adalah sebuah perangkat yang terdiri dari dua elektroda yang ditempatkan berdekatan di dalam ruang hampa.Salah satu elektroda biasanya disebut katoda atau emitter, sementara elektroda lainnya disebut anoda atau plate.
Secara normal, elektron di dalam katoda tidak bisa begitu saja keluar dari permukaannya karena ada semacam penghalang energi potensial. Ketika sebuah elektron berusaha meninggalkan permukaan, ia akan menimbulkan muatan positif di dalam material. Muatan positif ini kemudian menarik elektron tersebut kembali ke permukaan, sehingga elektron sulit benar-benar terlepas.
Agar bisa keluar, elektron harus mendapatkan cukup energi untuk melewati penghalang energi tersebut.Pada suhu normal, hampir tidak ada elektron yang memiliki energi cukup untuk bisa lolos. Namun, ketika katoda dipanaskan hingga sangat tinggi, energi elektron meningkat karena adanya gerakan termal.Jika suhunya cukup panas, banyak elektron yang akhirnya bisa terbebas dari permukaan katoda. Proses pelepasan elektron dari permukaan yang panas inilah yang disebut emisi termionik (thermionic emission).
Elektron-elektron yang berhasil lepas dari katoda panas akan berkumpul di sekitarnya, membentuk awan muatan negatif yang disebut space charge.Jika pelat (anoda) dijaga tetap bermuatan positif terhadap katoda dengan bantuan baterai, elektron-elektron dalam awan tersebut akan tertarik menuju anoda.Selama ada perbedaan potensial (tegangan) antara katoda dan anoda, arus listrik akan terus mengalir secara stabil dari katoda ke anoda.
Contoh paling sederhana dari perangkat termionik adalah dioda tabung vakum, yang hanya terdiri dari dua elektroda: katoda dan anoda (atau plate), seperti terlihat pada Gambar 17.Dioda ini bisa digunakan untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah berdenyut (DC).
Ringkasan: Metode-Metode Menghasilkan Listrik
- Elektrokimia – Menggabungkan bahan kimia dengan logam tertentu bisa menimbulkan reaksi kimia yang memindahkan elektron sehingga menghasilkan energi listrik.
- Listrik Statis – Saat sebuah benda netral kehilangan elektron karena gesekan, lalu mendekati benda lain yang bermuatan normal, akan muncul gaya listrik di antara keduanya.
- Induksi Magnetik – Tegangan bisa dihasilkan dengan memutar kumparan kawat di dalam medan magnet yang diam, atau sebaliknya memutar medan magnet melewati kumparan yang diam.
- Efek Piesoelektrik – Menekuk atau memelintir bahan tertentu dapat membuat elektron terdorong keluar dari orbitnya. Saat tekanan dilepaskan, elektron kembali ke orbit semula.
- Termolistrik (Thermoelectricity) – Jika dua logam berbeda disambungkan dan dipanaskan, akan terjadi perpindahan elektron di antara keduanya sehingga timbul aliran listrik.
- Efek Fotoelektrik – Cahaya yang mengenai permukaan bahan tertentu bisa melepaskan elektron dari orbitnya, membuat benda tersebut bermuatan positif.
- Emisi Termionik – Saat permukaan logam dipanaskan hingga suhu tinggi, elektron bebas bisa lepas dari permukaan tersebut dan menghasilkan arus listrik.
Sumber :
1. Indonesia Maintenance Club
2.DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK ELECTRICAL SCIENCE Volume 1 of 4
3.An Introduction to Electrical Science By Adrian Way.good