Artikel Pembelajaran Aplikasi Listrik Statis dalam Bidang Teknologi

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.

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.

2.      Cara Membuat Alat Peraga Generator Van De Graaff Sederhana

Alat dan Bahan

Alat:

1. Gergaji besi
2. Tang pemotong        
3. Tang penjepit  
4. Penggaris 30 cm  
5. Bor listrik      

Bahan:

1. Paku kecil                    1 buah
2. Tabung sekering          1 buah
3. Karet gelang                1 buah
4. Motor DC (biasanya pada mobil mainan)    1 buah
5. Baterai 9 volt              1 buah
6. Wadah baterai             1 buah
7. Gelas plastik                1 buah
8. Lem                             secukupnya
9. Kabel serabut              secukupnya
10. Pipa PVC                    20 cm
11. Pipa PVC “T”             1 buah
12. Plester                         1 buah
13. Kayu ukuran             15cmx15cm

Metoda

1. Potong sekitar 5 cm pipa PVC dan lem pada kayu penyangga.

2. Letakkan motor DC pada pipa penghubung “T”, usahakan agar menempel dengan pas dengan ukuran diameter pipa.

3. Buat lubang dibelakang pipa  “T” untuk memasukkan kabel serabut ke dalamnya dan letakkan hampir menyentuh karet gelang. Bagian ini disebut “brush” bawah.

4. Letakkan  karet  gelang  pada  ujung  motor  DC,  buatlah  seperti  katrol. Kemudian satukan dengan gambar pada langkah 1.

5. 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.

 

6. 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.

 

7. Potong gelas plastik setengahnya dan lubangi bagian bawahnya seukuran pipa. Kemudian masukkan pada pipa atas. Bagian ini digunakan sebagai penyangga kaleng.
8. Lubangi bagian atas kaleng, dan letakkan kaleng tersebut di bagian atas alat.

 

9. Langkah terakhir ialah memasang baterai kepada motor DC.

 

10. 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

1. Bagian bagian dari Generator Van de Graff Sederhana

1. 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

2. Dinamo atau motor DC (huruf F) Sebagai penggerak belt atau karet dan ujung penggeraknya sebagai penghasil muatan negatif.
3. Konduktor A (Kubah A / Kaleng): terbuat dari logam dan hampir bulatseperti bola bentuknya
4. B merupakan penopang konduktor  rongga A: terbuat dari bahan isolator
5. Tiang penopang isolator terpasng pada C yang terbuat dari logam yangbiasanya (grounded)
6. 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
7. 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.
8. 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.