Artikel Pembelajaran Aplikasi Listrik Statis dalam Bidang Teknologi
Pendahuluan
Sesungguhnya fenomena elektrostatik
merupakan pemandangan yang sering sekali kita lihat sehari-hari.
Beberapa dari kita mungkin pernah iseng menggosokkan penggaris plastik
pada tangan kita kemudian mendekatkannya ke rambut teman kita hingga
nampak beberapa helai rambut berdiri karenanya. Menurut pergerakannya,
listrik di bagi menjadi dua yaitu listrik statis dan listrik dinamis.
Pada alat ini .yaitu Generator Van De Graff menggunakan konsep listrik
statis. listrik statis adalah listrik yang muatan – muatannya diam.
Listrik statis mempelajari sifat kelistrikan suatu benda tanpa
memperhatikan gerakan atau aliran muatan listriknya. Partikel zat yang
ukurannya paling kecil dan tidak dapatdibagi lagi adalah atom. Tiap atom
tersusun dari inti atom dan elektron. Inti atom (nukleos) terdiri dari
proton dan neutron. Adapun elektron bergerak mengelilingi inti atom pada
lintasannya dan mendapat gaya tarik inti atom. Masa proton dan elektron
lebih besar dibandingkan dengan masa elektron. Gaya ikat inti terhadap
elektron antara bahan satu dengan yang lain berbeda, karena sesuatu hal,
elektron dapat lepas dari lintasannyadan berpindah ke atom yang lain.
Perpindahan elektron tersebut menyebabkan perubahan muatan suatu atom.
Berdasarkan hal itu,atom dikelompokkan menjadi 3 yaitu,bermuatan
positif, bermuatan negatif dan netral. Atom dikatakan bermuatan negatif
jika kelebihan elektron sedangkan atom bermuatan positif jika kekurangan
elektron. Adapun yang dikatakan atom netral jika jumlah proton dan
netronnya sama. Benda netral dapat dibuat menjadi bermuatan listrik
dengan cara menggosok.
Generator Van De Graff diciptakan oleh
Robert J. Van De Graff pada tahun 1932 yang menerapkan prinsip dasar
listrik statis dan pemuatan dengan induksi. Caranya dengan berkali-kali
memasukkan benda bermuatan ke dalam sebuah konduktor, melainkan muatan
dimasukkan secara terus menerus melalui pita bergerak (belt conveyor)
misalnya karet. Bila sebuah benda logam bermuatan didekatkan ke benda
logam yang tidak bermuatan maka elektron-elektron bebas pada benda yang
netral tertarik oleh benda yang bermuatan positif dan beberapa
diantaranya akan pindah. Karena benda kedua sekarang kehilangan beberapa
elektron negatifnya, benda tersebut akan bermuatan positif. Proses ini
disebut pemuatan dengan induksi, dan kedua benda pada akhirnya akan
memiliki muatan yang berjenis sama. Salah satu cara untuk menginduksi muatan
total pada benda logam adalah dengan menghubungkannya dengan kawat
penghantar ke tanah (ground). Karena bumi sangat besar dan dapat
menghantar, bisa dengan mudah menerima atau melepaskan elektron,berarti
ia berlaku sebagai gudang muatan. Jika sebuah benda bermuatan, misalnya
negative didekatkan ke logam, elektron-elektron bebas pada logam
tersebut ditolak dan banyak diantaranya yang mengalir menuruni kawat
menuju bumi, hal ini membuat logam tersebut bermuatan positif.
Generator van de Graff merupakan mesin listrik statik yang menghasilkan tegangan DC yang sangat tinggi, yaitu dengan cara mengumpulkan muatan listrik dan menyimpannya pada permukaan bola logam berongga (hollow pherical). Alat ini dapat digerakkan dengan dua cara. Pertama dengan menggunakan motor listrik yang dapat diatur kecepatan putarannya dan menggunakan listrik 220 V. Yang kedua diputar langsung dengan menggunakan tangan. Oleh karena itu, alat peraga sederhana ini mendukung bagi pembelajaran IPA dikelas yaitu sebagai media pembelajaran yang kontekstual dan fakta dapat menunjukan proses dan gejala alam yang dipelajari dalam teori listrik statis sebagai penerapan dalam teknologi. Selain, pembuatan alat ini terjangkau lebih murah daripada harga generator van de graaf yang semestinya tetapi sebagai alat bantu sederhana dapat menjadikan alernatif untuk memperjelas pemahaman dan pendalaman materi terutama listrik statis dalam aplikasi teknologi yang dapat dipertunjukan di dalam pembelajaran dikelas agar pembelajaran yang berlangsung lebih menarik dan bermakna, sehingga guru semestinya akan mengajar dengan lebih baik dengan menggunakan alat peraga sederhana ini dalam memperjelas materi yang diajarkan dan sebagai tanda keprofesionalan guru dalam membuat perangkat pembelajaran yang sederhana, maka pembelajaran IPA dikelas menjadi lebih menarik dan menyenangkan.
Generator van de Graff merupakan mesin listrik statik yang menghasilkan tegangan DC yang sangat tinggi, yaitu dengan cara mengumpulkan muatan listrik dan menyimpannya pada permukaan bola logam berongga (hollow pherical). Alat ini dapat digerakkan dengan dua cara. Pertama dengan menggunakan motor listrik yang dapat diatur kecepatan putarannya dan menggunakan listrik 220 V. Yang kedua diputar langsung dengan menggunakan tangan. Oleh karena itu, alat peraga sederhana ini mendukung bagi pembelajaran IPA dikelas yaitu sebagai media pembelajaran yang kontekstual dan fakta dapat menunjukan proses dan gejala alam yang dipelajari dalam teori listrik statis sebagai penerapan dalam teknologi. Selain, pembuatan alat ini terjangkau lebih murah daripada harga generator van de graaf yang semestinya tetapi sebagai alat bantu sederhana dapat menjadikan alernatif untuk memperjelas pemahaman dan pendalaman materi terutama listrik statis dalam aplikasi teknologi yang dapat dipertunjukan di dalam pembelajaran dikelas agar pembelajaran yang berlangsung lebih menarik dan bermakna, sehingga guru semestinya akan mengajar dengan lebih baik dengan menggunakan alat peraga sederhana ini dalam memperjelas materi yang diajarkan dan sebagai tanda keprofesionalan guru dalam membuat perangkat pembelajaran yang sederhana, maka pembelajaran IPA dikelas menjadi lebih menarik dan menyenangkan.
Pembahasan
1. Generator Van De Graaff
Generator Van de Graff adalah mesin
pembangkit listrik yang biasa dipakai untuk penelitian di laboratorium.
Salah satu contoh generator Van de Graff yang ada di Indonesia terdapat
di Pusat Peragaan Iptek di Taman Mini Indonesia Indah. Generator ini
dibuat oleh Robert Jemison Van de Graaff (1901-1967).
“generator Van de Graff” merupakan alat yang dapat menghasilkan muatan
listrik statis dalam jumlah yang sangat besar melalui proses gesekan
Beliau adalah seorang fisikawan berkebangsaan Amerika Serikat. Generator
Van de Graff terdiri atas : a. dua ujung runcing yang terdapat di
bagian atas dan bawah, b. sebuah silinder logam yang terdapat di bagian
bawah, c. sebuah silinder polietilen yang terdapat di bagian atas, d.
sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder, dan e. konduktor berongga
berbentuk bola (kubah). “generator Van de Graff” ini berfungsi untuk
menghasilkan muatan listrik, khususnya percepatan partikel bermuatan
dalam eksplorasi atom. Sebuah “generator Van de Graff” terdiri atas
kubah logam, sisir logam bawah dan atas, silinder logam di bagian atas
dan silinder politena di bagian bawah, dan sabuk karet yang
menghubungkan silinder logam dan silinder politena.
Bentuk dasar “generator Van de Graff” ini seperti :
Generator Van de Graff prinsip
kerjanya sama dengan menghasilkan muatan listrik dengan cara menggosok
(metode gesekan). Gesekan antara sabuk karet dengan silinder logam
bagian bawah menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet.
Gesekan antara sabuk karet dengan silinder politilen bagian atas
menimbulkan muatan listrik positif pada sabuk karet. Gerakan sabuk karet
ke atas membawa muatan negatif mengalir ke kubah melalui ujung runcing
di bagian atas. Elektron akan tersebarmenempati seluruh permukaan kubah.
Pada kubah bagian dalam tidak terdapat elektron. Adapun, gerakan sabuk
karet ke bawah membawa muatan positif. Muatan positif sabuk karet ini
mengalir melalui ujung runcing bawah ke tanah untuk dinetralkan.
Silinder logam bawah dijalankan dengan motor listrik, sehingga sabuk
karet terus-menerus bergerak, menghasilkan muatan negatif mengalir ke
kubah, sehingga terbentuk muatan listrik yang besar pada kubah generator
Van de Graff. Proses ini berlangsung terus menerus
sehingga kubah mengumpulkan muatan listrik positif dalam jumlah yang
banyak. Pada gambar di atas terlihat bahwa muatan listrik negatif pada
sabuk karet bawah mengalir melalui sisir logam bawah ke tanah dan
dinetralkan. Generator ini dapat menghasilkan tenaga listrik sampai dua
juta volt. Apabila kubah generator ditanahkan, akan terlihat percikan
kecil seperti kilat kecil. Kita juga dapat merasakan kekuatan listrik
ini dengan menerima muatan dari generator pada saat menyentuh kubahnya.
Seperti yang kalian tahu bahwa generator
Van de Graaff sebuah generator elektrostatik yang menggunakan sabuk yang
bergerak untuk mengumpulkan sangat tinggi stabil tegangan elektrostatis
pada bola logam berongga di bagian atas berdiri. Diciptakan pada tahun
1929 oleh fisikawan Amerika Robert J. Van de Graaff, perbedaan potensi
modern dicapai Van de Graaff generator dapat mencapai 5 megavolts. Van
de Graaff generator dapat dianggap sebagai sumber arus konstan terhubung
secara paralel dengan kapasitor dan yang sangat besar hambatan listrik.
Alat dan Bahan
Alat:
- Gergaji besi
- Tang pemotong
- Tang penjepit
- Penggaris 30 cm
- Bor listrik
Bahan:
- Paku kecil 1 buah
- Tabung sekering 1 buah
- Karet gelang 1 buah
- Motor DC (biasanya pada mobil mainan) 1 buah
- Baterai 9 volt 1 buah
- Wadah baterai 1 buah
- Gelas plastik 1 buah
- Lem secukupnya
- Kabel serabut secukupnya
- Pipa PVC 20 cm
- Pipa PVC “T” 1 buah
- Plester 1 buah
- Kayu ukuran 15cmx15cm
Metoda
- Potong sekitar 5 cm pipa PVC dan lem pada kayu penyangga.
- Letakkan motor DC pada pipa penghubung “T”, usahakan agar menempel dengan pas dengan ukuran diameter pipa.
- Buat lubang dibelakang pipa “T” untuk memasukkan kabel serabut ke dalamnya dan letakkan hampir menyentuh karet gelang. Bagian ini disebut “brush” bawah.
- Letakkan karet gelang pada ujung motor DC, buatlah seperti katrol. Kemudian satukan dengan gambar pada langkah 1.
- Potong kembali pipa ukuran 4 cm, dan letakkan di atas pipa “T”. Kemudian buat lubang untuk menyimpan paku. Paku digunakan sebagai penyangga atas karet gelang. Untuk memudahkan perputaran, selubungi paku dengan tabung sekering.
- Buat satu lubang lagi pada pipa paling atas diantara dua lubang sebelumnya untuk memasukkan kabel serabut dan letakkan hamper menyentuh karet gelang. Bagian ini ialah “brush” atas.
- Potong gelas plastik setengahnya dan lubangi bagian bawahnya seukuran pipa. Kemudian masukkan pada pipa atas. Bagian ini digunakan sebagai penyangga kaleng.
- Lubangi bagian atas kaleng, dan letakkan kaleng tersebut di bagian atas alat.
- Langkah terakhir ialah memasang baterai kepada motor DC.
- Generator Van de Graaf akhirnya dapat digunakan
Untuk mengujinya dapat kita letakkan beberapa potongan kertas di atas kaleng.
Gambar 3. Genertor Van de Graff Sederhana
- Bagian bagian dari Generator Van de Graff Sederhana
- Adapter
Di dalam adapter
terdapat transformator sebagai pengubah dari arus PLN yaitu arus Ac
menjadi arus DC menggunakan prinsip insuktansi bersama.Arus DC ini yang berfungsi sebagai sumber energi untuk menggerakkanmotor atau dinamo
- Dinamo atau motor DC (huruf F) Sebagai penggerak belt atau karet dan ujung penggeraknya sebagai penghasil muatan negatif.
- Konduktor A (Kubah A / Kaleng): terbuat dari logam dan hampir bulatseperti bola bentuknya
- B merupakan penopang konduktor rongga A: terbuat dari bahan isolator
- Tiang penopang isolator terpasng pada C yang terbuat dari logam yangbiasanya (grounded)
- Sebuah sabuk D (belt) karet yang tak berujung pangkal yang bersifat tak menghantar melingkari dua buah katrol atas, E dan katrol bawah, F yang juga tidak menghantar
- Roller F terhubung dengan pengayuh yang dihubungkan dengan motor listrik kecil. Katrol E dan F dilapisi dengan bahan yang berlainan, yaitu katrol E terbuat dari nylon dan pada pengayuh terbuat dari plastik. Dipilih 8 sedemikian rupa sehingga bila sabuk D bersentuhan dengan F, pita akan memperoleh muatan positif, sedangkan bila bersentuhan dengan E, akan mendapat muatan negatif.
- Ujung runcing G dan H yang terbuat dari logam dalam hal ini adalah kabel disambungkan secara listrik pada bola konduktor (kaleng) A disebelah atas dan pada alas C. ujung runcing H yang berada pada bagian atas berfungsi untuk menarik elektron-elektron dari sabuk.
Gambar 4. Cara kerja generator van de Graff
Keterangan Gambar 4.
Ketika motor DC
dihidupkan, logam berongga A menyerap muatan-muatan yang ada
disekitarnya, kemudian dialirkan oleh kawat serabut G untuk diserap oleh
karet D yang diputarkan oleh dinamo F. Muatan-muatan yang diserap oleh
karet dibawa berputar menuju kawat serabut H yang dihubungkan dengan
ground untuk menyerap muatan negatifnya, sehingga pada kawat hanya
tersisa muatan positif saja. Mutan-muatan positif tersebut dibawa
berputar kembali menuju kawat serabut G, yang kemudian disalurkan ke
logam berongga A, sehingga muatan-muatan positif berkumpul di logam
berongga A, Akibatnya logam berongga A memiliki muatan positif lebih
banyak dari pada bumi, dan apabila ada benda yang positif mendekati
logam misalnya tisu, maka benda tersebut akan menjauhi logam berongga A
karena terjadi gaya tolak menolak.
Simpulan dan Saran
Simpulan
Generator Van de Graff merupakan salah
satu alat yang menggunakan prinsip listrik statis dan pemuatan induksi
sebagai konsep yang dipelajari IPA SMP dikelas VII dapat dijadikan
sebagai alat peraga sederhana dengan membuatnya dengan alat dan bahan
yang tersedia di lingkungan dengan mudah sehingga dengan adanya alat
peraga ini siswa dapat meningkatkan pemahaman penerapan listrik statis
dalam bidang teknologi yang dapat diaplikasikan secara langsung siswa
dapat melakukan dan membuatnya sendiri dengan adanya alat perga
sederhana generator van de graaf.
Saran
Untuk mendapatkan hasil yang
maksimal,akan lebih baik jika sumber listrik berasal dari power supply
daripada baterai karena listrik yangdihasilkan akan lebih banyak. Adapun
jika menggunakan baterai ada kemungkinan listrik yang terkandung dalam
baterai akan berkurang seiring dengan banyaknya penggunaan. Karet yang
digunakan tidak boleh terlalu kaku, tetapi juga tidak boleh terlalu
lentur. Hal ini dimaksudkan agar karet dapat berputar lebih stabil
seandainya karet terlalu lentur, maka perputaran karet akan
tidak teratur dan bisa keluar dari jalur. Sementara jika terlalu
kaku,karettidak dapat berputar seperti yang diharapkan.
Daftar Pustaka
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker. (2008). Fundamental of Physic(extended). Singapore : John Wiley and Sons.Paul,
Jirakulpatana. 2007. Spark Length and the Van de Graaff Generator. ISB Journal of Physics : Grade 9 Physics, International School Bangkok.
Makalah Genertor Van de Graff ( Pada Acara Diseminasi Fisika 2010), Prodi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi UIN SGD, Bandung, 2010
Modul Workshop dan demo Alat Peraga Fisika, Prodi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi UIN SGD, Bandung, 2010
Sears, Zemansky. 1986. Fisika untuk Universitas 2 Listrik Magnet. Jakarta Erlangga.Tipler (1991). Fisika Untuk Sains dan Tekhnik Jilid 2 (Terjemahan).Jakarta Erlangga.