Generation of Electricity ~ My diary

Assalamualaikum semuanya, apa kabar ?, semoga sehat selalu. Pada kesempatan kali ini saya akan membahas pelajaran kuliah saya yaitu tentang Generation of Electricity atau bisa dikatan cara menghasilkan listrik atau dikenal dengan pembangkit listrik.

Jadi teman-teman listrik itu sebenarnya sudah ada secara natural di alam sebagai contohnya itu seperti petir, tetapi jumlahnya sedikit dan sulit untuk menggunakanya. Bahkan sekarang sepengetahuan saya belum ada alat yag mampu menangkap petir kemudian menyimpan energi listriknya seperti pada pembangkit listrik pada umumnya. Yang ada sekarang kebanyakan pembangkit listrik bekerja dengan menggunakan bahan bakar fosil, panas bumi, angin, tenaga surya, tidal (pasang surut), dll.

Faraday Disc, the first homopolar generator

Kalau dilihat dari sejarahnya, prinsip dasar dalam pembangkit listrik ini sudah ditemukan di tahun 1820 dan pada awal 1830 oleh scientist inggris Michael Faraday. Kemudian produksi komersilnya dimulai sekitar tahun 1870 pada revolusi industri yang kedua dengan konstributor utamanya Thomas Alfa Edison dan Nikola Tesla.

Secara konsep, arus listrik terjadi ketika terdapat perbedaan tegangan antara 2 titik di dalam suatu konduktor (penghantar listrik). Perbedaan tegangan ini terjadi karena adanya perbedaan potensial muatan listrik di dalam benda tersebut yang menyebabkan perpindahan elektron. Sehingga menimbulkan 2 polaritas (muatan kutub) negatif dan positif. Kutub negatif terdapat banyak elektron kutub positif sedikit elektron. Proses ini dikenal dengan electromotive force (gaya gerak listrik) atau voltage.

Nah dalam pembahasan ini saya akan membahas bagaimana tegangan itu diproduksi sehingga bisa menghasilkan arus listrik atau energi listrik yang kemudian disalurkan ke rumah, industri, kantor dan tempat lain yang membutuhkan listrik.

1. Voltage produced by friction (tegangan diproduksi dengan gesekan)

Metode ini merupakan metode yang pertama kali ditemukan. Dimana batang gelas (glass rod) atau batang besi (iron rod) digosok dengan bulu (fur). Kemampuan alami dari material ini memungkinkan terbentuknya tegangan. Tetapi, sayangnya teganganya sulit untuk dipertahankan. Sehingga, sedikit sekali pengaplikasian menggunakan metode ini.

Kalau dalam penelitian (research) ada alat/mesin yang dikembangkan dikenal dengan van de graaff generator yang menggunakan metode ini. Alat ini dapat menghasilkan tegangan yang cukup besar, tetapi sedikit pengaplikasianya selain dari penelitian (research).

2. Voltage produced by pressure (tegangan diproduksi dengan tekanan)

Kalau metode ini tegangan dapat dihasilkan dengan cara mengaplikasikan pressure (tekanan) ke ionic cristal tertentu seperti Quartz, Rochelle salt, and tourmaline. Tegangan ini dihasilkan oleh susunan molekuler tertentu dalam material itu. Saat tekanan diterapkan pada permukaan material ini, maka akan terbentuk 2 polaritas muatan pada masing masing ujung / permukaanya.

Jika material ini diberi force (gaya) yang menyebabkan material ini melebar atau memanjang juga akan menghasilkan tegangan. Pada proses ini akan terbentuk 2 polaritas muatan pada masing masing ujung / permukaanya tetapi polaritasnya berlawanan dengan polaritas sebelumnya yang menggunakan metode ditekan (pressure).

Vibratory motion juga dapat membentuk 2 polaritas muatan seperti pressure dan streching sebelumnya. Metode ini sering digunakan pada microphones, ponograph catridges, dan oscillators yang digunakan pada radio transmitters, radio receivers, dan sonar equipment.

Nah metode diatas dikenal dengan istilah piezoelectric effect dimana mechanical energy (tekanan, tarikan, getaran ke material ini) dirubah menjadi electrical energy.

Metode ini tidak cocok untuk pengaplikasian yang membutuhkan tegangan dan daya yang tinggi, melainkan lebih sering digunakan pada peralatan yang hanya membutuhkan small signal voltage seperti pada sound and comunications system.

Ada satu hal lagi yang menarik dari metode ini, dimana selain mengubah mechanical energy ke electrical energy juga dapat mengubah dari electrical energy ke mechanical energy dikenal dengan istilah converse piezoelectric effect. Jika voltage dihubungkan ke permukaanya, crystal ini akan expand (mengembang) or contract (contraksi) (mungkin seperti otot lengan) sesuai jumlah voltage yang diterapkan.

3. Voltage produced by heat (tegangan diproduksi dengan panas)

Nah kalau metode ini, tekniknya adalah memanaskan 2 ujung metal tertentu seperti pada gambar berikut.

Jadi, kebanyakan metal contohnya tembaga jika dipanaskan disalah satu ujungnya maka elektron cenderung untuk bergerak dari ujung yang dipanaskan menuju ujung yang lebih dingin. Tetapi, pada metal tertentu seperti besi, elektron cenderung bergerak dari bagian dingin menuju pusat yang dipanaskan.

Nah jika 2 jenis metal tadi disusun seperti gambar di atas, maka akan terbentuk perbedaan polaritas pada masing-masing ujung yang tidak dipanaskan. Sehingga, terbentuklah tegangan saat proses ini terjadi. Adapun aliran elektron di cold junction ini dapat dihubungkan dengan current meter dari tembaga menuju besi. Sehingga, elektron akan mengalir dan terjadilah arus listrik.

Nah alat ini dikenal dengan nama thermocouple. Cara kerjanya yang bergantung pada perbedaan temperatur antara cold dan hot junction membuat alat ini sering digunakan untuk mengukur temperatur dan sebagai sensor panas pada automatic temperatur control equipment.

Alat ini mempunyai kapasitas power yang lebih besar dari cristal (metode pressure) tapi masih jauh lebih kecil dibanding metode yang lainya. Umumnya dapat mengenali/bekerja dengan temperatur yang lebih besar dibanding thermometer biasa yang menggunakan merkuri maupun alkohol.

4. Voltage produced by light (tegangan diproduksi dengan cahaya)

Nah kalau metode yang satu ini lebih sering didengar pengaplikasianya pada solar sell. Dimana energi cahaya dirubah menjadi energi listrik.

Jadi, pada permukaan suatu material tertentu jika terkena cahaya, maka cahaya tersebut akan menyebabkan terlepasnya elektron dari orbit atom pada material itu. Hal ini disebabkan karena cahaya mempunyai energy, sehingga mampu melepaskan elektron pada atom di permukaan material tersebut.

Beberapa material, kebanyakan metal mempunyai sensitifitas terhadap cahaya yang tinggi, beberapa sangat tinggi dibanding yang lainya. Metal ini disebut dengan photo-sensitive metals. Adapun tegangan yang dihasilkan dari proses ini disebut photoelectric voltage.

Photo-sensitive materials yang sering digunakan untuk memproduksi photoelectric voltage umumnya adalah beragam campuran (various compound) dari silver oxide and copper oxide. Adapun devices complete yang menggunakan prinsip photoelectric ini dikenal dengan photoelectric cell. Sekarang sudah banyak macam, bentuk dari devices ini dengan tujuan yang beragam. Walaupun begitu, konsep kerjanya hampir sama pada setiap devices.

Nah gambar diatas ada 2 bentuk contoh dari devices ini. Mari perhatikan gambar A

Dari gambar ini bisa dilihat, ada 2 bagian. Pertama, bagian surface lengkung dari metal. Dan bagian ke 2 ada batang anode (positif) tepat di tengah depan permukaan metal tersebut.

Cara kerjanya, saat permukaan metal terkena cahaya, elektron akan memancar (emit) dari permukaan metal tersebut menuju ke batang anode (kutub positif) di depan permukaan metal. Nah di anode ini elektron berkumpul kemudian akan di lepaskan kebagian belakang permukaan metal tersebut atau ke sisi gelap melalui wire (kabel) yang dihubungkan ke anode tersebut. Nah elektron ini akan menggantikan lagi elektron yang terlepas dipermukaan metal tadi, sehingga terjadilah aliran elektron yang terus menerus selama cahaya mengenai permukaan metal tersebut. Nah aliran elektron /aliran listrik ini dapat disimpan dan digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik.

Adapun gambar B, konsepnya hampir sama, bisa diperhatikan gambarnya

Jadi bentuknya seperti plate metal atau seperti layer. Bagian paling bawah adalah base terbuat dari pure copper dan diatasnya dilapisi photo sensitive material yaitu copper oxide. beberapa juga ada yang ditambah semitransparent layer of metal yang sangat tipis dibagian paling atas.

Tujuan penambahan semitransparent layer ini yaitu

1. Memungkinkan cahaya untuk memberikan penetrasi pada copper oxide

2. Mengumpulkan pancaran elektron dari copper oxide

kemudian ada external kabel yang dihubungkan ke bagian belakang seperti pada proses A. Nah arus listrik yang dihasilkan ini dapat disimpan dan digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik.

Tambahan, kebanyakan cell dikontruksi berbentuk layer seperti gambar B ini.

Kapasitas dari satu photocell ini sangat kecil. Walaupun begitu, ia memiliki kecepatan yang tinggi dalam mendeteksi cahaya/bereaksi dengan cahaya. Sehingga sangat cocok digunakan untuk sensor ataupun mengontrol banyak operasi. Devices ini sering digunakan pada burglar alarms, door openers, television cameras, etc.

5. Voltage produced by chemical action (tegangan diproduksi dengan reaksi kimia)

Kalau metode yang satu ini mungkin sudah tidak asing lagi, karena sering kita temui dalam kehidupan sehari hari contohnya ialah battery. Dalam metode ini tegangan bisa dihasilkan jika material tertentu terlibat dalam reaksi kimia.

Jika dua zat yang berlainan (biasanya metal atau metallic material) dicampurkan/dibenamkan (immersed) dalam sebuah larutan yang membuat salah satu dari zat itu mempunyai reaksi kimia yang lebih besar/dominan dari zat yang lain maka akan terbentuk perbedaan potensial pada kedua zat itu.

Jika sebuah konduktor dihubungkan ke dalam larutan itu maka elektron akan mengalir ke konduktor untuk menyeimbangkan muatan dalam larutan tersebut.

Nah proses/susunan ini dikenal dengan sebutan primary cell.

Dua batang metal itu dikenal sebagai electrodes dan larutannya dikenal sebagai electrolyte. Saat electrodes masuk ke dalam electrolyte maka akan terbentuk ion-ion disekitaran electrodes tersebut. Ion-ion ini ada yang bermuatan negatif dan ada yang bermuatan positif karena adanya perbedaan potensial dalam larutan tersebut.

Karena adanya medan listrik (electricity field) maka electrodes menjadi bermuatan.

Besarnya potensial yang ada dielectrodes dipengaruhi oleh jenis metal yang digunakan sebagai electrodes tersebut. Adapun jenis electrolyte dan ukuran cell hanya berpengaruh kecil bahkan tidak sama sekali.

Ada 2 tipe dari primary cell, yaitu wet cell dan dry cell. Kalau wet cell electrolyte-nya berbentuk liquid. Electrolyte pada wet cell ini harus tetap pada posisi yang ditentukan dan tidak mudah diangkut (dimiringkan, dibawa) tetap diposisinya. Untuk Penggunaan biasanya pada automotive battery.

Kalo dry cell, lebih umum dari wet cell. Electrolyte-nya dicampur dengan material lain membentuk paste. Penggunaanya pada torches (senter), radios portable, etc.

Adapun battery itu sendiri merupakan susunan dari cell-cell ini yang dihubungkan untuk meningkatkan jumlah outputan listrik dari battery tersebut.

6. Voltage produced by magnetism (tegangan diproduksi dengan magnet).

Kalau yang satu ini juga tidak asing lagi, karena penerapanya cukup sering kita jumpai yaitu pada generator. Generator itu sendiri sebenarnya digerakan oleh sumber energi lain, dapat berupa bahan bakar, air, angin, panas bumi, dll.

Tetapi prinsip utama mengapa generator bisa menghasilkan listrik karena menggunakan prinsip electromagnetic induction dimana terjadinya pergerakan metal diantara medan magnet sehingga terbentuklah tegangan listrik pada generator tersebut.

Ada 3 kondisi dasar yang harus ada dalam generator sehingga bisa menghasilkan listrik :

1. Harus ada conductor dimana tegangan diproduksi.

2. Harus ada magnetic field (medan magnet) disekitar conductor.

3. Harus ada gerakan relatif (relative motion) antara medan magnet dan conductor. Conduktor harus bergerak sehingga memotong magnetic line of force (garis gaya magnet), ataupun medan magnet yang bergerak sehingga magnetic line force-nya terpotong oleh conductor.

Nah jika ada gerakan relatif maka elektron di conduktor akan didorong ke satu arah sehingga terbentuklah tegangan.

Gambar A, conduktor diletakan di antara magnetic field pada magnet berbentuk C. Jika conduktor digerakan maka elektron akan didorong ke satu arah karena adanya induksi magnetic. Sehingga, ujung conduktor ada yang bermuatan positif dan negatif.

Gambar B, jika conduktor tidak digerakan maka tidak ada tegangan listrik karena conduktor tidak memotong magnetic line force dan tidak ada magnetic induce EMF.

Gambar C, sama seperti gambar A. Hanya saja disini dapat disimpulkan perbedaan arah gerakan menyebabkan berbeda pula arah pergerakan elektron di dalam conduktor.

Gambar D, jika kedua ujung conduktor dihubungkan dengan wire maka akan terjadi aliran arus listrik, elektron akan mengalir dari kutub negatif menuju kutub positif.

Baiklah teman-teman mungkin sampai sini dulu review pelajaran saya, semoga bermanfaat dan semoga saya lebih mengerti lagi pelajaran yang telah saya jelaskan. Lanjut nanti ke DC source of electricity di kesempatan berikutnya.

Terima Kasih dan CMIIW (Correct Me If I'm Wrong).

Sumber :

Previous Content electrical-terminology