BAB II LANDASAN TEORI II.1 Arus Listrik Muatan-muatan listrik yang bergerak akan menghasilkan arus listrik. Satuan arus listrik adalah Ampere (A). Lebih tepatnya arus I didefenisikan sebagai laju pergerakan muatan melewati suatu titik acuan tertentu (menembus suatu bidang acuan tertentu) sebesar satu Coloumb per detik, dari sistem hantar (misalnya melalui penampang lintang kawat tertentu) dan proses pengangkutan muatan disebut penghantaran. Jadi dimana : Q = muatan (Coloumb) t = waktu (detik) Satuan arus dalam sistem mks adalah ampere (A), sehingga, 1 ampere = 1 II.2. Kuat Arus, Rapat Arus dan Penghantar II.2.1. Kuat Arus Kuat arus adalah laju transport muatan listrik per satuan waktu melalui titik atau permukaan tertentu. Simbol I biasa digunakan untuk arus yang konstan, sedangkan i untuk arus yang berubah terhadap waktu. Satuan kuat arus adalah ampere (1 A = 1 C/s). Hukum ohm menghubungkan antara kuat arus (I), tegangan (V) dan hambatan (R). Untuk rangkaian-rangkaian sederhana, I = V/R. Akan tetapi bagi
muatan-muatan yang tersebar dalam cairan atau gas, atau pula bila terdapat pembawa-pembawa muatan positif dan negatif dengan karakteristik yang berbeda, hukum ohm yang sederhana ini tidak lagi mencukupi. Oleh sebab itu rapat arus J (A/m 2 ) memperoleh perhatian lebih besar dalam teori elektromagnetik dibandingkan kuat arus I. Gaya pada suatu partikel bermuatan positif dari medium vakum, seperti terlihat pada gambar 2.1(a). Karena tidak ada yang melawannya maka gaya ini akan menghasilkan percepatan yang konstan. Jadi muatan ini bergerak ke arah E dengan kecepatan U yang terus bertambah besar selama partikel masih berada dalam medan tadi. Kalau muatan itu berada dalam medium cairan atau gas, seperti yang terlihat pada gambar 2.1(b), ia berulang kali bertumbukan dengan partikelpartikel medium dan akan menghasilkan perubahan-perubahan yang acak dalam arah geraknya. Namun untuk kuat medan yang konstan dan medium homogen, komponen kecepatan yang acak tadi saling menghilangkan, hingga tinggallah kecepatan rata-rata yang konstan, yang dinamai dengan kecepatan hantar U, dalam arah E. Pada logam, penghantaran listrik adalah melaui gerakan elektronelektron dari kulit paling luar dari atom-atom yang membentuk struktur logam itu. Kecepatan hantar berbanding lurus dengan kuat medan listrik (E), U = µe dimana : U = Kecepatan hantar µ = Mobilitas dengan satuan m 2 /Vs. E = Kuat medan listrik Penghantar-penghantar yang baik mempunyai satu atau dua elektron yang dapat bebas bergerak kalau diberi medan listrik. Mobilitas ini besarnya tergantung
pada suhu dan struktur penghantar. Jadi pada suhu tinggi mobilitas µ berkurang, berakibat pada kuat arus yang lebih kecil untuk kuat medan tertentu. Dalam analisa rangkaian, gejala ini dinyatakan dengan resitivitas atau hambat jenis dari bahan. Pertambahan resistivitas ini akan sebanding dengan bertambahnya suhu. Gambar 2.1. Gerakan elektron pada medium (a) vakum, (b) cairan atau gas II.2.2 Rapat Arus Medan listrik dalam suatu penghantar dengan luas penampang yang tetap akan menyebabkan timbul arus konduksi. Rapat arus konduksi ini dapat dirumuskan dengan ; J = ρu (A/m 2 ) dimana : J = Rapat arus konduksi ρ = Kerapatan muatan U= Kecepatan hanyut/hantar jika U = µe, maka J = σe di mana σ = ρµ, adalah konduktivitas dari bahan yang dinyatakan dengan siemens per centimeter (S/cm).
II.2.3. Penghantar 1. adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. dapat berupa zat padat, zat cair, gas terion, dielektrik tak sempurna, dan bahkan ruang hampa udara di sekitar katoda yang memancarkan ion akibat panas. Karena sifatnya yang konduktif maka zat penghantar ini disebut konduktor. yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas, perak, tembaga, alumunium, zink, besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin besar. Di dalam banyak penghantar, pembawa muatannya adalah elektron. Emas adalah penghantar yang sangat baik, tetapi karena harganya sangat mahal, maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan sebagai penghantar. 2. Isolator Suatu penghantar listrik yang buruk disebut isolator. Pada jarak atom dalam kisi yang diperlihatkan oleh gambar 2.2(a), celah energi yang lebar ini memisahkan daerah pita konduksi yang penuh dari pita konduksi yang kosong. Energi yang dapat diberikan kepada elektron, oleh medan listrik yang ada, terlalu kecil untuk memindahkan elektron dari pita yang berisi ke pita yang kosong. Oleh karena itu elektron tidak dapat memperoleh energi yang mencukupi, maka penghantaran tidak mungkin berlangsung.
3. Semikonduktor Salah satu bahan yang memiliki celah energi terkecil disebut semikonduktor. Bahan-bahan yang mempunyai sifat semikonduktor umumnya memiliki energi gap lebih kecil dari 6 ev. Bahan Semikonduktor dapat berupa bahan murni atau bahan paduan. Beberapa jenis bahan Semikonduktor dan nilai celah energinya diberikan pada tabel 2.1 berikut ; Tabel 2.1. Bahan Semikonduktor dan nilai Gap Selain bahan semikonduktor komersial yang ditunjukkan pada tabel 2.1 di atas, masih terdapat bahan semikonduktor lain yang belum dipakai secara luas. Bahan-bahan tersebut adalah bahan semikonduktor oksida dan bahan polimer. Contoh bahan oksida antara lain : CuO, ZnO, Ag 2 O, PbO, Fe 2 O 3, dan SnO. Ditinjau dari jenis pembawa muatan yang menghantarkan listrik di dalamnya,
bahan semikonduktor dapat dibedakan menjadi bahan semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Bahan semikonduktor intrinsik merupakan bahan semikonduktor yang tidak mengandung atom-atom takmurnian (impuritas), sehingga hantaran listrik yang terjadi pada bahan tersebut adalah elektron dan lubang (hole). Sedangkan pada bahan semikonduktor ekstrinsik, karena mengandung atom-atom pengotor, pembawa muatan didominasi oleh elektron saja atau lubang saja. Gambar 2.2. Struktur pita energi II.3 KONDUKTIVITAS Dalam cairan atau gas, umumnya terdapat baik ion positif atau ion negatif yang bermuatan tunggal atau kembar dengan massa yang sama atau berbeda. Konduktivitas akan terpengaruh oleh semua faktor-faktor tersebut. Tapi kalau kita anggap semua ion adalah sama, demikian pula ion positif, maka konduktivitasnya hanya terdiri dari dua suku, seperti yang ditunjukkan gambar 2.3(a). Pada konduktor logam, hanya elektron valensi saja yang bebas bergerak. Pada gambar 2.3(b) elektron-elektron itu digambarkan bergerak ke kiri. Konduktivitas di sini
hanya mengandung satu suku, yakni hasil kali rapat muatan elektron-elektron konduksi ρ e dengan mobilitas µ e. Gambar 2.3. Konduktivitas (a) cairan atau gas, (b) logam, (c) semikonduktor Dalam semikonduktor, seperti germanium dan silikon, konduksi tadi lebih kompleks. Dalam struktur kristal, setiap atom mempunyai ikatan kovalen dengan empat atom yang berdekatan. Seperti yang terlihat pada gambar 2.3(c), konduktivitas σ di sini terdiri dari dua suku, satu untuk elektron, lainnya untuk lubang. Dalam konduktivitas σ salah satu dari kerapatan ρ e atau ρ h akan jauh melampaui yang lainnya. II.3.1 Konduktivitas Elektrik Pengukuran konduktivitas elektrik adalah penentuan konduktivitas spesifik dari larutan. Konduktivitas spesifik adalah kebalikan dari tahanan untuk 1 cm 3 larutan. Pemakaian cara untuk pengukuran ini antara lain untuk mendeteksi pengotoran air karena elektrolit atau zat kimia, seperti pada limbah industri, air untuk mengisi ketel uap atau boiler, pengolahan air bersih dan lain-lain. Karena ada relevansi antara konsentrasi dan konduktivitas suatu larutan, maka untuk menentukan konsentrasi suatu larutan dapat dilakukan dengan cara mengukur
konduktivitas larutan tersebut. Dalam hal itu hubungan antara konsentrasi dan konduktivitas larutan telah ditentukan. Larutan asam, basa dan garam dikenal sebagai elektrolit yang dapat menghantarkan arus listrik atau disebut konduktor listrik. Konduktivitas listrik ditentukan oleh sifat elektrolit suatu larutan, konsentrasi dan suhu larutan. Pengukuran konduktivitas suatu larutan dapat dilakukan dengan pengukuran konsentrasi larutan tersebut, yang dinyatakan dengan persen dari berat, part per million (ppm) atau satuan lainnya. Jika harga konduktivitas dari bermacam konsentrasi larutan elektrolit diketahui, maka untuk menentukan konsentrasi larutan tersebut dapat dilakukan dengan mengalirkan arus melalui larutan dan mengukur resistivitas atau konduktivitasnya. Gambar 2.4 menunjukkan grafik hubungan antara konduktivitas dan konsentrasi untuk beberapa jenis larutan pada suhu tertentu. Gambar 2.4. Grafik Hubungan Konduktivitas dengan Konsentrasi
Elemen pertama pada pengukuran konduktivitas listrik berbentuk konduktivitas sel yang terdiri atas sepasang elektroda yang luas permukaannya ditetapkan dengan teliti. Konduktivitas yang diukur dengan sel konduktivitas dinyatakan dengan rumus: dimana; k = konduktivitas, mho/cm C = konduktansi, mho A = Luas elektroda, cm l = Jarak antara elektroda, cm 3 Dari persamaan di atas suatu konduktansi dengan nilai 1 mho dapat dinyatakan sebagai kemampuan hantar dari zat cair yang berukuran luas penampang 1 cm 2 dan jarak 1 cm atau volume zat cair sebesar 1 cm 3 untuk arus 1 ampere dengan tegangan 1 volt. Jika arus yang dapat dihantarkan lebih besar lagi, maka konduktansinya lebih besar pula. Jika pada suatu resistor dialirkan arus yang membesar, maka tahanan atau resistansinya akan mengecil. Hal ini berarti bahwa konduktivitas adalah kebalikan dari dari resistansi, mho = 1/ohm.
Tabel 2.2. Konduktivitas berbagai material Material Tipe σ, S/m Kuarsa Belerang Mika Parafin Karet Porcelain Kaca Bakelit Air Destilasi Tanah pasir Tanah Rawa Air segar Germanium Air Laut Tellurium Karbon Graphite Besi Tuang Mercury Chrome Constantan Silicon Perak Timah hitam Timah Fosfor Kuningan Seng Tungsten Duralumin Alumunium Emas Tembaga Perak Nb 3 (Al-Ge) Isolator Isolator Isolator Isolator Isolator Isolator Isolator Isolator Isolator Isolator lemah Isolator lemah Isolator lemah Semikonduktor Super -17-15 -15-15 -15 - -12-9 -4-3 -2-2 2 5 2 5 x 4 3 x 5 6 6 6 2,26 x 6 2 x 6 3 x 6 5 x 6 9 x 7 1,0 x 7 1,1 x 7 1,7 x 7 1,8 x 7 3 x 7 3,5 x 7 4,1 x 7 5,7 x 7 6,1 x 6 Dalam satuan Sistem Internasional (SI), satuan mho diganti dengan Siemens. Untuk suatu konduktivitas, mho/cm sama dengan mikro siemens per centimeter (µs/cm). Namun karena pada SI satuan panjang yang digunakan
adalah dalam satuan meter maka satuan konduktivitas adalah mikro siemens per meter, µs/cm = 0 S/m. Pada peralatan ukur konduktivitas di industri, luas permukaan elektroda dapat lebih ataupun kurang dari 1 cm dan jaraknya dapat lebih jauh ataupun lebih dekat dari 1 cm. Hubungan satuan antara elektroda-elektroda dengan sel konduktivitas standar disebut dengan konstanta sel (K). Hal itu dapat diturunkan dengan persamaan : Jarak l dan A besarnya tetap, sehingga l/a merupakan tetapan yang disebut sebagai konstanta sel. Jika l/a = F, maka C=K/F. F adalah konstanta sel dengan satuan 1/cm atau cm -1. Konstanta sel berkisar antara 0,01 sampai 0 untuk sel konduktivitas. Untuk konstanta sel tertentu memilliki daerah ukur konduktivitas, seperti yang tercantum pada tabel 2.3 di bawah ini. Tabel 2.3. Konstanta sel dan rentang ukur konduktivitas Konstanta Sel 0,01 0, 1.00.00 0.00 Rentang Ukur Konduktivitas ( mikro mho ) 1-200 0-2000 00-5000 5.000-200.000 0.000-2.000.000
Karena temperatur merupakan besaran yang berpengaruh pada konduktivitas, maka diperlukan suatu kompensator suhu pada sel konduktivitas tersebut. Konstruksi sel konduktivitas yang digunakan biasanya lebih bergantung pada kebutuhan masing-masing. Konfigurasinya juga dipengaruhi oleh daerah ukur yang dikehendaki oleh konstanta sel. Pada gambar 2.5, sel tipe sisipan dipasang ke dalam pipa atau bagian dalam tangki. Bagian yang sensitif terdiri atas dua buah elektroda platina yang terpasang dalam pipa pireks dengan bentuk H. Elektroda-elektroda ditempatkan pada pipa gelas yang terpisah yang terdiri atas cincin-cincin platina yang tersusun dalam pipa, sehingga pengotoran dan kerusakan elektroda dapat dibatasi. Sel-sel konduktivitas itu dapat dibersihkan dengan mudah. Elektroda platina dilapisi platina hitam untuk mencegah efek polarisasi. Gambar 2.5. Sel konduktivitas dengan sensor platina Polarisasi biasanya terjadi jika dialirkan arus listrik melalui suatu larutan. Bila polarisasi tidak dicegah maka akan mengganggu ketelitian dalam pengukuran. Salah satu bentuk polarisasi adalah elektrolisa yang pada umumnya menghasilkan lapisan gas pada permukaan elektroda yang akan meningkatkan
tahanan larutan. Oleh karena itulah tegangan DC tidak digunakan untuk menentukan konduktivitas. Dengan tegangan AC, polarisasi dapat ditiadakan. Cara lain untuk menentukan konduktivitas adalah dengan sel yang bahan elektrodanya lebih banyak menggunakan graphite dari pada metal biasa. Macammacam graphite yang digunakan mempunyai sifat permukaan sama terhadap polarisasi, seperti elektroda logam. Elektroda-elektroda tersebut dapat dibersihkan secara kimia dengan kain atau sikat. Ada dua cara untuk mengkalibrasi instrumen konduktivitas, yaitu kalibrasi dari konduktivitas dan kalibrasi dari konsentrasi elektrolit. Pada umumnya konduktivitas larutan akan membesar jika suhu larutan itu naik. Dengan demikian konduktivitas suatu instrumen yang dikalibrasi dalam mho menggunakan larutan dengan konsentrasi tertentu. Pembacaan pada instrumen akan berubah jika suhu larutan itu berubah. Kompensasi temperatur pada instrumen konduktivitas dari larutan dapat dibuat jika koefisien temperatur konduktivitas larutan telah diketahui. Kompensasi suhu ini tidak dapat digunakan untuk larutan yang lain. Pemasangan kompensasi suhu hanya digunakan untuk larutan tertentu yang memerlukan. Seperti yang telah diuraikan terdahulu bahwa pengaruh suhu terhadap tiaptiap elektrolit berbeda-beda. Dengan demikian untuk mengukur konsentrasi atau konduktivitas,suhu elektrolit diatur supaya tetap, misalnya 70ºF. Untuk membuat kompensasi suhu dapat dilakukan secara manual ataupun otomatis. Kompensasi manual dilakukan dengan cara mengatur arus secara manual yang dikalibrasikan pada temperatur dari larutan pada saat pengukuran. Kompensasi suhu otomatis terdiri atas detektor suhu dari tahanan atau RTD yang
dimasukkan ke dalam sel pengukuran. Jika temperatur dalam sel berubah, tahanan dari RTD juga berubah. Tahanan ini dihubungkan dengan jembatan wheatstone, sehingga suhu akan mengkompensasikan ke arah nol. Hal ini mengakibatkan apabila terjadi perubahan suhu maka pengukuran konduktivitas tidak akan mengalami perubahan. Di samping instrumen ukur konduktivitas dengan menggunakan elektroda, ada juga instrumen pengukur konduktivitas yang tidak menggunakan elektroda. Gambar 2.6. Sensor Konduktivitas tanpa elektroda Bagian dalam instrumen ini terdiri atas pipa yang pada kedua ujungnya terpasang lilitan kawat atau koil. Koil yang pertama dihubungkan dengan isolator ultrasonic ± KHz yang menghasilkan induksi arus AC pada larutan yang sedang mengalir melalui pipa. Arus yang timbul pada larutan yang mengalir sebanding dengan konduktivitas larutan tersebut. Arus larutan itu membangkitkan arus pada koil yang kedua atau koil sekunder yang merupakan keluaran instrumen ini. Keluaran ini dimasukkan ke dalam Rangkaian elektronik untuk diubah menjadi sinyal arus standar (4-20 ma) atau sinyal tegangan (0- V). Pada
instrumen ini dipasang alat kompensasi suhu. Karena konduktivitas menunjukkan banyaknya ion dalam larutan, maka instrumen ini dapat dikalibrasi dan dinyatakan dalam persen konsentrasi elektrolit. Hal ini berguna sekali untuk mengetahui pencemaran air atau kesempurnaan reaksi kimia. Alat untuk mengukur konduktivitas tanpa elektrode ini dipakai untuk konduktivitas tinggi yang berkisar antara 50-00 mili mho. II.3.2 Konduktivitas Termal Konduktivitas termal adalah sifat bahan yang menunjukkan jumlah panas yang mengalir melintasi satu satuan luas. Bahan yang mempunyai konduktivitas termal yang tinggi dinamakan konduktor, sedangkan bahan yang konduktivitas termalnya rendah disebut isolator. Konduktivitas termal berubah seiring dengan perubahan suhu, tetapi dalam banyak hal perubahan ini cukup kecil dan dapat diabaikan. Nilai konduktivitas termal itu menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu. Makin cepat molekul bergerak, makin cepat pula ia mengangkut energi. Jadi konduktivitas termal bergantung pada suhu. Pada umumnya jika konduktivitas elektrik baik maka baik pula konduktivitas termalnya. Konduktivitas termal gas berbeda-beda. Untuk harga konduktivitas sebesar 1,0 sebagai patokan, digunakan konduktivitas udara pada suhu 32 º F. Konduktivitas termal berbagai macam gas diantaranya terlihat pada tabel 2.4 :
Tabel 2.4. Konduktivitas Termal No 1 2 3 4 5 6 Gas CO CO 2 Helium Hidrogen Nitrogen Oksigen Konduktivitas termal Relatif 0,585 0,958 6,08 7,35 1,015 1,007 Dari tabel 2.4 di atas, gas CO 2 dan CO adalah termasuk gas yang konduktivitas termalnya kecil sehingga dapat dikatakan sebagai penghantar panas yang buruk. II.4. Perbedaan Larutan Berdasarkan Daya Hantar Listrik (Konduktivitas) Berdasarkan daya hantar listriknya, larutan dibedakan menjadi 2 golongan yaitu larutan elektrolit dan larutan non elektrolit. Perbedaan antara kedua larutan ini terlihat pada tabel 2.5 berikut ;
Tabel 2.5 Perbandingan larutan elektrolit dan larutan non elektrolit Larutan Elektrolit Larutan Non Elektrolit 1. Dapat menghantarkan listrik 1. Tidak dapat menghantarkan listrik 2. Terjadi proses ionisasi (terurai menjadi ion-ion) 2. Tidak terjadi proses ionisasi 3. Lampu dapat menyala terang atau redup dan ada gelembung gas 3. Lampu tidak menyala dan tidak ada gelembung gas Contoh: Contoh: Garam dapur (NaCl) Larutan gula (C 12 H 22 O 11 ) Cuka dapur (CH 3 COOH) Larutan urea (CO NH 2 )2 Air accu (H 2 SO 4 ) Larutan alkohol C 2 H 5 OH (etanol) Garam magnesium (MgCl 2 ) Larutan glukosa (C 6 H 12 O 6 ) Contoh : larutan HCl. Larutan HCl di dalam air mengurai menjadi kation (H + ) dan anion (Cl - ). Terjadinya hantaran listrik pada larutan HCl disebabkan ion H + menangkap elektron pada katoda dengan membebaskan gas Hidrogen. Sedangkan ion-ion Cl - melepaskan elektron pada anoda dengan menghasilkan gas klorin.
Gambar 2.7 Hantaran listrik melalui Larutan HCl II.5. Pengelompokkan Larutan Berdasarkan Jenisnya Seperti yang telah diuraikan sebelumnya bahwa berdasarkan daya hantar listriknya, larutan dapat dibagi menjadi larutan elektrolit dan non elektrolit. Sedangkan elektrolit dapat dikelompokkan menjadi larutan elektrolit kuat dan elektrolit lemah sesuai skema penggolongan berikut. Tabel 2.6 Sifat larutan (a) elektrolit kuat, (b) elektrolit lemah, (c)non elektrolit Jenis Larutan Sifat dan Pengamatan Lain Contoh Senyawa Reaksi Ionisasi Elektrolit - terionisasi sempurna NaCl, HCl, NaCl Na + + Cl - Kuat - menghantarkan arus NaOH, NaOH Na + + OH - listrik H 2 SO 4, dan H 2 SO 4 2H + + SO 4 2- - lampu menyala terang KCl KCl K + + Cl - - terdapat gelembung gas
Elektrolit - terionisasi sebagian CH 3 COOH, CH3COOH H + + Lemah - menghantarkan arus N 4 OH, CH 3 COO - listrik HCN, dan HCN H + + CN - - lampu menyala redup Al(OH)3 Al(OH)3 Al 3+ + - terdapat gelembung gas 3OH - Non - tidak terionisasi C 6 H 12 O 6, C6H 12 O 6 Elektrolit - tidak menghantarkan C 12 H 22 O 11, C 12 H 22 O 11 arus listrik CO(NH 2 )2, CO(NH 2 )2 - lampu tidak menyala dan C 2 H 5 OH C 2 H 5 OH - tidak terdapat gelembung gas II.6. Sifat Koligatif Larutan Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa larutan elektrolit di dalam pelarutnya mempunyai kemampuan untuk mengion. Hal ini mengakibatkan larutan elektrolit mempunyai jumlah partikel yang lebih banyak daripada larutan non elektrolit pada konsentrasi yang sama. Yang menjadi ukuran langsung dari keadaan (kemampuannya) untuk mengion adalah derajat ionisasi (α). Besarnya derajat ionisasi (α) ini dinyatakan dengan: α = Untuk larutan elektrolit kuat, harga derajat ionisasinya mendekati 1. Harga derajat ionisasi berada antara 0 dan 1 (0 < α < 1).
Sifat koligatif larutan adalah sifat larutan yang tidak tergantung pada macamnya zat terlarut tetapi semata-mata hanya ditentukan oleh banyaknya zat terlarut (konsentrasi zat terlarut). Banyaknya partikel dalam larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan dan sifat larutan itu sendiri. Jumlah partikel dalam larutan non elektrolit tidak sama dengan jumlah partikel dalam larutan elektrolit, walaupun konsentrasi keduanya sama. Hal ini dikarenakan larutan elektrolit terurai menjadi ion-ionnya, sedangkan larutan non elektrolit tidak terurai menjadi ion-ion.