Elektrolisis Elektrokimia: Sel Volta Galvani Reaksi Katoda Anoda Contoh Soal Rumus Perhitungan 14

Pengertian Elektrokimia. Elektrokimia mempelajari reaksi- reaksi yang disertai dengan perpindahan elektron atau reaksi redoks.

Energi Kimia Menjadi Energi Listrik

Pada proses elektrokimia, energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik atau sebaliknya.

Reaksi reduksi oksidasi tertentu dapat menghasilkan arus listrik. Adapun pada kondisi sebaliknya, arus listrik dialirkan ke dalam larutan atau cairan zat akan terjadi perpindahan elektron yang menghasilkan reaksi kimia.

Sel Elektokimia


Sel elektrokimia merupakan suatu sistem yang terdiri atas dua elektrode, yaitu katode dan anode, serta larutan elektrolit sebagai penghantar elektron. Pada katode terjadi reaksi reduksi dan pada anode terjadi reaksi oksidasi.

Jenis Sel Elektrokimia

Ada dua macam sel elektrokimia, yaitu sebagai berikut.

  1. Sel Volta (Sel Galvani)

Penemu sel ini adalah ahli kimia Italia yang bernama Alessandro Volta dan Luigi Galvani. Pada sel volta atau galvani, energi kimia diubah menjadi energi listrik. Reaksi dalam sel volta yatu reaksi reduksi dan oksidasinya akan  menghasilkan arus listrik. Pada sel volta reaksi redoks terjadi secara spontan.

Contoh Sel Volta Sehari Hari

Contoh Sel Volta pada kehidupan sekarang adalah batu baterai dan aki. Batu baterai dan aki merupakan rangkaian tertutup dan di dalamnya dapat terjadi reaksi redoks yang spontan sehingga terjadi perpindahan atau aliran elektron (arus listrik).

Cara Kerja Sel Volta/ Galvani Sistem Zn-Cu

Diagram rangkaian lengkap dari sebuah sel Volta atau Sel Galvani ditunjukkan pada gambar berikut:

Reaksi Katodik Anodik Elektrokimia Sel Galvani Sistem Zn Cu
Reaksi Katodik Anodik Elektrokimia Sel Galvani Sistem Zn Cu

Pada sel Volta digunakan dua elektoda yaitu anoda dan katoda.

Anoda Sel Volta

Anode adalah Elektroda negative terbuat dari batang zink (atau seng) yang dicelupkan dalam larutan ZnSO4.

Katoda Sel Volta

Sedangkan katoda adalah elektrode positif yang terbuat dari batang cuprum (atau tembaga) yang dicelupkan dalam larutan CuSO4.

Jembatan Garam Sel Volta

Kedua larutan dihubungkan dengan menggunakan jembatan garam atau dapat juga dipisahkan oleh dinding berpori.

Logam seng dan tembaga yang menjadi kutub- kutub pada rangkaian sel elektrokimia disebut elektrode. Elektrode tempat terjadinya oksidasi disebut anode, sedangkan elektrode tempat terjadinya reduksi disebut katode.

Oksidasi berarti pelepasan elektron, maka anode adalah kutub negatif, sedangkan katode merupakan kutub positif. Dalam sel  volta tersebut, anodenya adalah logam seng dan katodenya adalah logam tembaga.

Fungsi Jembatan Garam.

Jembatan garam terdiri atas pipa berbentuk U yang berisi agar agar yang mengandung garam kalium atau natrium klorida. Fungsi jembatan garam adalah untuk mempertahankan kenetralan medium elektrolit tempat batang elektrode berada.

Tahap Proses Kerja Sel Volta atau Sel Galvani

a). Elektrode seng (anode) teroksidasi berubah menjadi Zn2+, kemudian ion Zn2+ ini masuk ke larutan ZnSO4. Reaksi oksidasinya adalah sebagai berikut:

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e

b). Elektron yang dibebaskan di anode akan mengalir melalui kawat penghantar menuju ke elektrode Cu.

c). Pada elektrode Cu (katoda) elektron- elektron dari elektroda seng akan mereduksi ion Cu2+ dari larutan menjadi Cu yang kemudian Cu ini mengendap atau menempel pada batang Cu. Reaksi reduksinya adalah sebagai berikut:

Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

d). Zn teroksidasi dan Cu2+ tereduksi, pada anode ion Zn2+ lebih banyak dari ion SO42–, sedangkan pada katode ion SO42 lebih banyak dari ion Cu2+. Oleh sebab itu, ion SO42–  berpindah dari elektrode Cu ke elektrode Zn melalui jembatan garam.

e). Pada akhir reaksi sel, berat elektrode Zn akan berkurang, sedangkan berat elektrode Cu akan bertambah. Larutan CuSO4 semakin encer, sedangkan larutan ZnSO4 semakin pekat.

Reaksi pada Sel Volta

Reaksi reduksi oksidasi secara keseluruhan pada sel Volta adalah sebagai berikut:

Zn(s) + CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)

Rekasi Pada Anode

Reaksi yang terjadi pada anode adalah reaksi oksidasi seperti berikut

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e

Reaksi Pada Katode

Reaksi yang terjadi pada katode adalah reaksi reduksi seperti berikut:

Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

Potensial Elektroda Standar

Potensial elektrode standar adalah gaya dorong (atau gaya gerak listrik atau GGL) dari reaksi redoks yang diukur pada keadaan standar (kemolaran 1 M pada tekanan 1 atm dan temperatur 250 C). Potensial sel standar disimbolkan dengan E°sel.

Potential Electrode Standard Hydrogen

Elektrode hidrogen pada keadaan standar, E°, ditetapkan pada konsentrasi ion H+ 1 M dan tekanan gas H2 1 atm pada 25°C. Nilai potensial elektrode standar hydrogen ini ditetapkan sama dengan nol volt.

2H+ + 2e → H2    Eo = 0,00 V

Notasi Sel Volta dan Diagram Sel

Rangkaian sel volta dapat ditulis dalam bentuk notasi atau diagram sel. Dalam menuliskan diagram sel, anoda ditulis di sebelah kiri dan katoda di sebelah kanan yang dipisahkan oleh jembatan garam. Jembatan garam dilambangkan dengan dua garis sejajar vertikal (||).

Secara umum, notasi sel volta dapat dituliskan sebagai berikut:

Anoda || Katoda

Dengan demikian sel volta di atas dinyatakan dalam bentuk notasi sel atau diagram sel seperti berikut :

Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu

Cara Menetukan Anoda Katoda Potensial Sel

Perbedaan potensial dari kedua elektroda (katoda dan anoda) disebut beda potensial atau potensial sel standar yang diberi lambang Esel.

Esel = E°katoda – E°anoda

Esel = E°reduksi – E°oksidasi

Esel = E°besar – E°kecil

Esel = E°(+) – E°(-)

Katoda merupakan tempat terjadi reaksi reduksi sehingga mempunyai E° lebih besar, sedangkan anoda merupakan tempat terjadi reaksi oksidasi sehingga mempunyai harga E° lebih kecil.

Penentuan Potensial Sel – Gaya Gerak Listrik GGL Sel Volta

Potensial sel volta dapat ditentukan melalui percobaan dengan menggunakan voltmeter potensiometer.

Perbedaan antara kedua sel yang terdapat di dalam sel volta disebut potensial elektrode. Untuk mengukur potensial suatu elektrode digunakan elektrode lain sebagai pembanding atau standar.

Elektrode hidrogen digunakan sebagai electrode standar karena harga potensialnya = 0. Potensial elektrode yang dibandingkan dengan elektrode hidrogen yang diukur pada suhu 25°C dan tekanan 1 atm disebut potensial elektrode standar.

Nilai GGL sel elektrokimia dapat ditentukan berdasarkan table potensial elektrode standar. Syarat bahwa sel elektrokimia akan berlangsung spontan jika oksidator yang lebih kuat berperan sebagai pereaksi atau GGL sel berharga positif.

Esel > 0

E° katoda – E°anoda > 0

Nilai GGL sel sama dengan potensial standar katode (reduksi) dikurangi potensial standar anode (oksidasi). Metode ini merupakan cara alternatif untuk menghitung GGL sel.

Contoh Soal Beda Potensial Sel Elektrokimia

Suatu sel volta tersusun dari elektroda magnesium dan tembaga. Bila diketahui:

Mg2+ (aq) + 2e → Mg(s) E° = -2,37 volt

Cu2+ (aq) + 2e → Cu(s) E° = + 0,34 volt

Tentukan

a). katoda dan anodanya,

b). reaksi yang terjadi pada elektroda dan reaksi selnya,

c). notasi sel, dan

d). potensial sel.

Jawab:

a). Katoda Anoda Sel Volta Mg-Cu

Katoda harus memiliki E° lebih besar yaitu tembaga (Cu), dan

Anoda harus memiliki E° lebih kecil, yaitu magnesium (Mg)

b). Reaksi Elektroda dan Sel  

Reaksi katoda (reduksi) : Cu2+ (aq) + 2e → Cu(s)

Reaksi anoda (oksidasi) : Mg(s) →Mg2+ (aq) + 2e

Reaksi sel (redoks) : Cu2+ (aq) + Mg(s) → Cu(s) + Mg2+ (aq)

c). Notasi Sel

Anoda || Katoda

Mg | Mg2+ || Cu2+ | Cu

d). Potensial Sel Sistem Mg-Cu

Esel = E° katoda – E°anoda

Esel = 0,34 – (-2,37)

Esel = 2,71 volt

Semua data Potensial Yang digunakan, baik untuk E° katoda maupun E°anoda adalah potensial reduksi standar.

Potensial sel dapat digunakan untuk memperkirakan spontan tidaknya suatu reaksi redoks. Reaksi redoks berlangsung spontan bila Esel > 0 (positif) dan tidak spontan bila Esel < 0 (negatif).

Contoh Soal Lainnya Dan Pembahasan Di Akhir Artikel

Sel Elektrolisis

Elektrolisis merupakan peristiwa penguraian zat elektrolit oleh arus listrik searah. Dalam sel elektrolisis energi listrik akan menghasilkan reaksi kimia.

Pada sel elektrolisis, reaksi redoksnya tidak terjadi secara spontan. Sehingga untuk terjadi reaksi redoksnya harus diberi arus listrik.

Energi Listrik Menjadi Reaksi Kimia

Pada sel elektrolisis, energi listrik diubah menjadi energi kimia. Pada Sel Elektrolisis Arus listrik menghasilkan reaksi reduksi dan oksidasi.

Tempat berlangsungnya reaksi reduksi dan oksidasi dalam sel elektrolisis sama seperti pada sel volta, yaitu anode (reaksi oksidasi) dan katode (reaksi reduksi). Perbedaan sel elektrolisis dan sel volta terletak pada kutub elektrode.

Pada sel volta, anode (–) dan katode (+), sedangkan pada sel elektrolisis sebaliknya, anode (+) dan katode (–).

Pada sel elektrolisis anode dihubungkan dengan kutub positif sumber energi listrik, sedangkan katode dihubungkan dengan kutub negatif. Oleh karena itu pada sel elektrolisis di anode akan terjadi reaksi oksidasi dan dikatode akan terjadi reaksi reduksi.

Sel elektrolisis berfungsi sebagai pompa untuk menjalankan perpindahan elektron yang mengalir dari anode ke katode. Elektron dialirkan melalui electrode yang tidak bereaksi (inert).

Biasanya digunakan batang karbon atau platina. Dalam elektrolisis, pada anode terjadi oksidasi (melepaskan elektron) sedangkan pada katode terjadi reduksi.

Pada  sel elektrolisis reaksi mulai terjadi pada katode, yaitu tempat arus masuk (pada sel Volta reaksi dimulai pada anode, yaitu tempat arus keluar).

pemurnian-logam-tembaga-cara-elektrowinning
sel elektrolisis pada pemurnian-logam-tembaga-cara-elektrowinning

Reaksi pada Katode

Pada katode terjadi reaksi ion- ion positif (kation) mengikat electron electron yang berasal dari sumber arus. Zat yang terbentuk dari hasil reaksi ini akan nempel pada batang katode, kecuali jika zat yang dihasilkan berbentuk gas.

Apabila zat hasil reaksi berfase gas maka akan keluar sebagai gelembung- gelembung gas di sekitar batang katode yang selanjutnya akan bergerak ke permukaan sel elektrolisis. Dalam larutan, ion positif menuju ke katode dan ion negatif ke anode.

1). Ion Hidrogen (H+)

Ion hidrogen direduksi menjadi molekul gas hidrogen. Reaksi reduksi seperti berikut:

Reaksi: 2 H+(aq) + 2 e→ H2(g)

2). Ion- Ion Logam

a). Ion-ion logam alkali/alkali tanah, seperti Li+, K+, Na+, Ba2+, Sr2+, dan Ca2+ tidak akan mengalami reduksi karena E° logam < E° air. Maka sebagai penggantinya air yang akan mengalami reaksi reduksi sebagai berikut:

Reaksi: H2O(l) + 2 e → H2(g) + 2 OH(aq)

b). Ion- Ion Logam seperti Ni2+, Cu2+, dan Zn2+ akan mengalami reduksi menjadi logam. Reaksi oksidasinya adalah seperti berikut:

Mn+ + n e→ M

Contoh: Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

Ni2+(aq) + 2 e → Ni(s)

Jika Leburan garam yang dielektrolisis, maka ion logam penyusun garam tersebut yang akan direduksi menjadi logam. Contohnya adalah garam NaCl(l), dimana Na+ akan direduksi menjadi Na.

Reaksi: Na+(aq) + e → Na(s)

Reaksi pada Anode

Pada anode terjadi reaksi oksidasi, ion- ion negatif akan ditarik oleh anode. Reaksi yang terjadi pada anode sangat dipengaruhi oleh jenis anion dan jenis elektrode yang digunakan.

Jika anode terbuat dari elektrode inert (elektrode yang tidak ikut bereaksi), seperti Pt, C, dan Au maka ion negative atau air akan teroksidasi.

1). Ion Hidroksida (OH) akan teroksidasi menjadi H2O dan O2.

Reaksinya: 4 OH(aq) → 2 H2O(l) + O2(g) + 4 e

2). Ion Sisa Asam

a). Ion Sisa Asam yang tidak mengandung oksigen, seperti Cl, Br, I akan teroksidasi menjadi gas Cl2, Br2, I2.

Contoh: 2 Cl(aq) → Cl2(g) + 2 e

2 X → X2 + 2 e

b). Ion Sisa Asam yang yang mengandung oksigen, seperti SO42–, NO3–, PO43– tidak teroksidasi. Sebagai gantinya air yang teroksidasi.

Reaksi: 2 H2O(l) → 4 H+(aq) + O2(g) + 4 e

Jika anodenya terbuat dari logam lain (bukan Pt, C, atau Au) maka anode akan mengalami oksidasi menjadi ionnya.

Contohnya, jika anode terbuat dari Ni atau Cu, maka Ni atau Cu akan teroksidasi menjadi ion Ni2+ atau ion Cu2+. Reaksi oksidasinya seperti berikut:

Reaksi: Ni(s) → Ni2+(aq) + 2 e

Reaksi: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e

Logam Cu pada anode akan terlarut dan mengendap pada katode. Anode makin lama makin berkurang atau habis,  sedangkan katode makin tebal. Prinsip ini banyak digunakan pada pemurnian logam Cu.

Hukum Faraday Eletrokimia

Dalam elektrokimia baik sel volta maupun sel elektrolisis terdapat hubungan kuantitatif antara jumlah zat yang bereaksi dan muatan listrik yang terlibat dalam reaksi redoks. Pernyataan ini merupakan prinsip dasar Hukum Faraday.

Aliran listrik tiada lain adalah aliran elektron. Oleh karena itu, muatan listrik yang terlibat dalam sel elektrokimia dapat ditentukan berdasarkan muatan elektron yang terlibat dalam reaksi redoks pada sel elektrokimia.

Hukum Faraday I berbunyi:

“Massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis berbanding lurus dengan jumlah listrik yang digunakan”

Rumus Hukum Faraday I

Hukum Faraday I dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

w = me.F

Dengan Keterangan:

w = massa zat hasil elektrolisis (gram)

me = massa ekuivalen zat hasil elektrolisis,

me = Ar/Valensi

F = jumlah arus listrik (Faraday)

Massa Ekuivalen Zat

Massa ekuivalen zat (me) adalah massa relatif zat per satuan muatannya. Muatan suatu zat sering disebut perubahan bilangan oksidasi – biloks atau bilangan valensi

Cu2+ (aq) + 2e →   Cu (s)

Muatan ion tembaga Cu adalah +2, maka massa ekuevalen Cu adalah

me = Ar Cu/ muatan Cu atau

me = Ar Cu/ biloks  atau

me = Ar Cu/ valensi

me = 63,5/2 = 31,75 gram

Diketahui bahwa 1 Faraday setara dengan 96.500 coulomb, sedangkan 1 coulomb = 1 ampere detik. Dengan demikian Hukum Faraday dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

w = (me.i.t)/96.500

Dengan keterangan

i = kuat arus listrik (ampere)

t = lama elektrolisis atau waktu (detik)

Hukum Faraday II berbunyi:

“Massa zat yang dilepaskan pada elektrolisis berbanding lurus dengan massa ekuivalen zat itu”

Rumus Hukum Faraday II

Hukum Faraday II dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

w1 : w2 : … = me1 : me2 : … atau

w1/w2 = me1/me2

dengan keterangan

w1 = massa zat terendap 1

w2 = massa zat terendap 2

me1 = massa ekuivalen zat 1

me2 = massa ekuivalen zat 2

Kegunaan Manfaat Elektrolisis Pada Industri dan Sehari Hari

Prinsip dan proses elektrolisis banyak digunakan dalam bidang industry untuk pembuatan beberapa bahan kimia, pemurnian logam dan penyepuhan.

Pembuatan Bahan Kimia Cara Elektrolisis Pada Industri/ Sehari Hari

Beberapa bahan kimia seperti logam alkali dan alkali tanah aluminium, gas hidrogen, gas oksigen, gas klorin, dan natrium hidroksida diproduksi dengan menggunakan prinsip elektrolisis.

Contoh Pembuatan Bahan Kimia Cara Elektrolisis

Logam natrium dibuat dengan mengelektrolisis lelehan NaCl yang dicampur dengan CaCl2 seperti persamaan reaksi berikut

NaCl (l) → Na+ (l) + Cl(l)

Reaksi Katoda dan Anoda Pembuatan Logam Natrium Cara Elektrolisis

Katoda = Na+ (l) + e → Na (l)

Anoda = 2Cl (l) → Cl2 (g) +2e

Reaksi totalnya adalah

2Na+ (l) + 2 Cl (l) →   2Na (l) + Cl2 (g)

Natrium cair Na(l) yang terbentuk dikatoda mengapung di atas cairan NaCl, kemudian dikumpulkan pada kolektor.

Pembuatan NaOH Kadar Tinggi Cara Elektrolisis Sel Merkuri Pada Industri  

Suatu proses elektrolisis yang bertujuan untuk menghasilkan NaOH(aq) dengan kemurnian yang lebih tinggi adalah sel merkuri.

Katode merkuri mempunyai overpotensial yang lebih tinggi untuk mereduksi H2O menjadi OH dan H2(g). Sehingga reduksi yang terjadi adalah Na+(aq) menjadi Na(l) yang larut dalam merkuri membentuk suatu amalgam berupa 0,5 % Na.

Reaksi Anoda Katoda Pada Elektrolisis Sel Merkuri

Katode : 2Na (aq) + 2e→ 2 Na(dalam Hg)

Anode : 2Cl (aq) → Cl2 (g) + 2e

Reaksi totalnya adalah sebagai berikut

2 Na (aq) + 2 Cl (aq) → 2 Na(dalam Hg) + Cl2(g)

Amalgam Na yang dikeluarkan dari sel merkuri kemudian ditambah air sehingga akan terbentuk NaOH(aq) dan merkuri cair dikembalikan lagi ke dalam sel elektrolisis.

Reaksi Pembentukan NaOH Pada Elektrolisis Sel Merkuri

2 Na(dalam Hg) + 2H2O(l) → 2Na+(aq) + 2OH(aq) + H2(g) + Hg(l)

Keuntungan dari proses elektrolisis sel merkuri adalah dapat  menghasilkan NaOH pekat

dengan kemurnian yang tinggi. Namun kelemahannya adalah proses sel merkuri membutuhkan energi listrik yang lebih banyak, dan proses sel merkuri memiliki dampak negatif terhadap lingkungan.

Pemurnian Logam Cara Elektrolisis Pada Industri

Metoda elektrolis banyak digunakan pada industry pemurnian logam seperti tembaga, emas perak dan sebagainya

Contoh Pemurnian Logam Cara Elektrolisis Di Industri

Tembaga yang tidak murni dipisahkan dari zat pengotornya dengan cara elektrolisis. Tembaga yang tidak murni dipasang sebagai anoda dan tembaga murni dipasang sebagai katoda dalam elektrolit larutan CuSO4 tembaga di anoda akan teroksidasi menjadi Cu2+ selanjutnya Cu2+ direduksi di katoda.

Reaksi Anoda dan Katoda Pemurnian Logam Tembaga

Anoda = Cu (s) →   Cu2+ (aq) +2e

Katoda = Cu2+ (aq) + 2e →   Cu (s)

Logam tembaga di anoda pindah ke katoda sehingga anode pada akhirnya akan habis dan katoda semakin bertambah. Katoda merupakan tembaga murni. Zat pengotor yang dari yang terdapat pada anoda akan menjadi lumpur pada dasar sel elektrolisis.

Penyepuhan Logam Cara Elektrolisi Pada Industri Sehari Hari

Prinsip elekrolisis banyak digunakan untuk melapisi logam oleh logam lain dengan beragam tujuan.

Penyepuhan atau pelapisan atau Bahasa lainnya electroplating bertujuan agar permukaan logam yang dilapisi menjadi lebih stabil terhadap cuaca atau untuk menambah keindahannya. Contohnya, besi dilapisi nikel agar tahan karat, tembaga dilapisi perak atau emas agar lebih bernilai.

Prinsip kerjanya adalah Benda yang akan dilapisi dipasang sebagai katoda dan potongan logam pelapis atau penyepuh dipasang sebagai anoda. Kedua elektroda dibenamkan dalam larutan garam dari logam penyepuh dan dialiri sumber arus searah.

Contoh Pelapisan Penyepuhan Logam Cara Elektrolis Pada Industri Sehari Hari

Sendok dan garpu yang terbuat dari baja dengan perak dapat dilapisi dengan logam perak agar terlihat lebih indah dan lebih higenis.

Prinsipnya kerjanya adalah garpu dipasang sebagai katoda dan logam perak dipasang sebagai anoda. Sedangkan elektrolit yang digunakan adalah larutan elektrolit AgNO3.

Reaksi Anoda dan Katoda Pelapisan Logam Garpu Sendok Baja

Anoda : Ag (s) →   Ag+ (aq) + e

Katoda : Ag+ (aq) + e →   Ag (s)

Logam perak sebagai anoda akan teroksidasi menjadi ion Ag+ kemudian direduksi menjadi Ag pada garpu sebagai katoda. Dengan demikian garpu terlapisi oleh logam perak.

1). Contoh Soal Penulisan Reaksi dari Notasi Sel atau Diagram Sel Sistem Fe – Sn

Tuliskan reaksi sel untuk sel volta berikut.

Fe (s) | Fe2+ (aq) || Sn2+ (aq) | Sn (s)

Reaksi Setengah Selnya Atau Reaksi Anoda Katoda.

Anode: Fe (s) → Fe2+ (aq) + 2e

Katode: Sn2+ (aq) + 2e →   Sn (s)

Reaksi Sel Volta Keseluruhan Sistem Fe – Sn

Fe (s) + Sn2+ (aq) → Fe2+ (aq) + Sn (s)

2). Contoh Soal Persamaan Reaksi Reduksi Oksidasi Anoda Katoda Diagram Sel Sistem Nikel -Perak

Tuliskanlah persamaan reaksi redoks di anode dan di katode dari diagram sel nikel – perak berikut.

Ni (s) | Ni2+( aq) || Ag+ (aq) | Ag (s)

Reaksi Oksidasi Anoda

Anode (oksidasi) : Ni(s) → Ni2+(aq) + 2 e

Reaksi Reduksi Katoda

Katode (reduksi) : Ag+ (aq) + e → Ag (s)

3). Contoh Soal Persamaan Reaksi Reduksi Oksidasi Anoda Katoda Diagram Sel Sistem Besi – Emas

Tuliskanlah persamaan reaksi redoks di anode dan di katode dari diagram sel Sistem besi – emas berikut.

Fe (s) | Fe2+ (aq) || Au3+ (aq) | Au (s)

Reaksi Oksidasi Anoda

Anode (oksidasi) : Fe (s) → Fe2+ (aq) + 2 e

Reaksi Reduksi Katoda

Katode (reduksi) : Au3+ (aq) + 3 e → Au (s)

4). Contoh Soal Menentukan Potensial Elektrode Standar GGL Sel

Hitunglah potensial elektrode Cu yang berada dalam larutan CuSO4 dan dihubungkan dengan elektrode hydrogen pada keadaan standar jika voltmeter menunjukkan nilai 0,34 volt.

Diketahui

E°sel = yang terukur oleh voltmeter

E°sel = 0,34 volt

Menentukan Reaksi Setengah Sel Anoda Katoda

Persamaan setengah reaksi sel yang terjadi pada anoda dan katoda adalah sebagai berikut

Katode: Cu2+ (aq) + 2e → Cu (s)

Anode: H2 (g) → 2H+ (aq)

Menghitung Nilai Gaya Gerak Listrik Sel

Nilai GGL sel dihitung dengan menggunakan persamaan berikut

E°sel = E°katode – E°anode

E sel = Eored – Eook

E sel =Eo Cu – EoH2

Eo Cu = E sel – EoH2

Eo Cu = 0,34 – 0 = 0,34 volt

Jadi, potensial reduksi standar untuk elektrode Cu adalah 0,34 volt.

5). Contoh Soal Menentukan Anoda Katoda  Sel Volta Sistem Nikel – Perak

Sebuah sel Volta menggunakan elektrode nikel dalam larutan NiSO4 dan electrode Ag dalam larutan Ag2SO4. Tentukan potensial sel yang terjadi jika EoNi = –0,25 volt dan EoAg = +0,80 volt. Tunjukkan mana yang bertindak sebagai katode dan anode dalam sel ini.

Diketahui

EoNi = –0,25 volt dan

EoAg = +0,80 volt

Menentukan Anoda Dan Katoda Sel Volta

Nilai Eo Ni lebih kecil daripada Eo Ag, maka Ni lebih mudah teroksidasi dibandingkan Ag. Sehingga elektrodanya adalah

Anoda = Nikel

Katoda = Perak

Menghitung Potensial Sel Volta Nikel – Perak

Potensial sel volta system Nikel – Perak dapat dinyatakan dengan rumus berikut

Esel = E°katoda – E°anoda atau

E sel = Eored – Eook

E sel = EoAg – EoNi

E sel = +0,80 V – (–0,25 V)

E sel = +1,05 V

Jadi, Ni sebagai anode dan Ag sebagai katode dengan potensial sel sebesar +1,05 V.

6). Contoh Soal Perhitungan Potensial Sel Sistem Tembaga Cu – Perak Ag

Tentukan harga potensial sel system Cu – Ag berikut

Cu (s) | Cu2+ (aq)|| Ag+ (aq)| Ag (s)

Diketahui harga potensial reduksi standar Tembaga dan Perak adalah sebagai berikut.

Cu2+ (aq) + 2 e Cu (s) E° = 0,34 volt

Ag+ (aq) + 1 e Ag (s) E° = 0,80 volt

Reaksi Katoda Anoda Setengah Sel

Reaksi Reduksi Katoda adalah

2Ag+(aq) + 2 e → Ag (s)

Reaksi Oksidasi Anoda Adalah

Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e

Reaksi Sel Keseluruhannya adalah

2 Ag+(aq) + Cu(s) → 2 Ag (s) + Cu2+(aq)

Menghitung Potensial Sel Volta Tembaga – Perak

Potensial sel volta system Tembaga – Perak dapat dinyatakan dengan rumus berikut

Esel = E°katoda – E°anoda atau

E sel = Eored – Eook

E sel = EoAg – EoCu

E sel = +0,80  – (0,34 )

E sel = 0,46 volt

Jadi potensial sel atau gaya gerak listrik GGL sel system tembaga perak adalah 0,46 volt

7). Contoh Soal Menentukan Spontan Potensial Sel Reaksi Sistem Kalsium Perak  Ca – Ag

Tentukan apakah reaksi berikut dapat berlangsung secara spontan atau tidak

Ca2+ (aq) + 2Ag (aq) → Ca (s) + 2Ag+ (aq)

Diketahui

Ca2+ (aq) + 2e → Ca (s) E° = -2,87 volt

Ag+ (aq) + e → Ag (s)    E° = +0,80 volt

Menghitung Potensial Sel Volta Kalsium – Perak

Potensial sel volta system kalsium – Perak dapat dinyatakan dengan rumus berikut

Esel = E°katoda – E°anoda atau

E sel = Eored – Eook

E sel = E° Ca – E° Ag

E sel = -2,87 – (0,80)

E sel = – 3,67 volt

jadi. E sel < 0 atau pontesial sel negative, maka reaksi sel tersebut tidak akan terjadi secara spontan

8). Contoh Soal Perhitungan Elektrolisis Emas Dan Klor

Berapa emas dan klor yang terbentuk, jika arus listrik 5 A melewati larutan emas (III) klorida selama 10 menit?

(Ar Au = 196,73; Ar Cl = 35,45).

t = 10 menit = 600 detik

i = 5 A

Reaksi Anoda Katoda Elektrolisis Emas Klor.

Katode: Au3+ (aq) + 3e →   Au(s)

Anode: 2Cl(aq) → Cl2(g) + 2e

Menentukan Muatan Emas Dan Klor

Dari reaksi setengah sel pada katoda dan anoda dapat diketahui muatan (valensi atau biloks) ion emas dan klor adalah:

Muatan ion emas = 3

Muatan ion klor = 1

Rumus Menghitung Massa Ekuivalen  Emas Au dan Klor Cl2  

Massa ekuivalen emas dan klor dihitung dengan rumus berikut

me = Ar/muatan

  1. Au = Massa ekuivalen Au
  2. Au= 197/3 = 65,7 g

me.Cl2 = Massa ekuivalen Cl2

me Cl2 = 35.5/1 = 35,5

Rumus Menghitung Massa Emas Au Terbentuk

Massa emas yang diendapkan dihitung dengan rumus berikut

W Au = (i x t x me.Au)/(96500)

W Au = massa emas yang terbentuk

W Au = (5 x 600 x 65,7)/96500

W Au = 2,04 gram

Jadi emas yang terbentuk adalah 2,04 gram

Rumus Menghitung Massa Klor Cl2 Yang Terbentuk

Massa klor yang diendapkan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut

W Cl2 = (i x t x me.Cl2)/(96500)

W Cl2 = (5 x 600 x 35,5)/96500

W Cl2 = 1,1 gram

Jadi massa klor yang terbentuk adalah 1,2 gram

9.). Contoh Soal Perhitungan Waktu Pengendapan Pada Elektrolisis Larutan Besi

Berapa waktu yang diperlukan untuk mengendapkan 11,2 gram besi dalam larutan besi (III) klorida yang dialiri arus sebesar 10 A. (Ar Fe = 55,85).

Diketahui

i = 10 A

massa besi = 11,2 gram

Diketahui reaksi pada katode adalah sebagai berikut

Fe3+(aq) + 3e →   Fe(s)

Rumus Menghitung Massa Ekuivalen Fe Pada Elektrolisis

me.Fe = Massa ekuivalen Fe

me.Fe = Ar Fe/muatan ion Fe

me.Fe = 55,85/3 = 18,62 gram

Rumus Menghitung Waktu Elektrolisis Besi

Waktu yang diperlukan untuk elektrolisis larutan besi dirumuskan dengan persamaan berikut

W.Fe = (i x t x me.Fe)/96500

t = (W.Fe x 96500)/(i x me.Fe)

t = (11,2 x 96500)/(10 x 18,62)

t = 5804 detik

Jadi, waktu yang dibutuhkan adalah 5804 detik

10). Contoh Soal Perhitungan Arus Listrik Pengendapan Sel Elektrolisis Larutan Logam Tembaga

Dalam elektrolisis larutan CuSO4, diharapakan logam Cu dapat mengendap sebanyak 2,54 g pada katode. Tentukan berapa arus listrik yang harus dialirkan selama 30 menit pada sel elekrolisis tersebut

Diketahui

i = 30 menit = 1800 detik

Massa tembaga diendapkan = W

W = 2,54 gram

Menentukan Massa Ekuivalen Tembaga

Massa ekuivalen dihitung dengan rumus berikut

Cu2+ (aq) + 2e →   Cu (s)

valensi atau muatan Cu = 2

me = massa ekuivalen Cu

me = Ar Cu/valensi Cu

me = 63,5/2 = 31,75 gram

Rumus Menghitung Kuat Arus Sel Elektrolisis Tembaga

Kuat arus yang dibutuhkan dalam elektrolisis larutan tembaga dapat dinyatakan dengan rumus berikut

W = (i x t x me)/96500 atau

i = (W x 96500)/(t x me)

i = (2,54 x 96500)/(1800 x 31,75)

i = 4,289 gram

Jadi, arus yang dialirkan pada sel elektrolisis adalah 4,289 ampere

10). Contoh Soal Penyepuhan Kunci Besi Dengan Logam Emas

Sebuah kunci terbuat dari logam besi disepuh logam emas membutuhkan arus listrik sebesar 0,02 Faraday. Hitung massa logam emas yang melapisi kunci besi tersebut

Diketahui:

Ar Au = 197

F = 0,02 Faraday

Menentukan Massa Ekuivale Logam Emas

Reaksi reduksi di katoda adalah sebagai berikut

Au3+ (aq) + 3e →   Au(s)

Muatan ion Emas Au3+ adalah 3

Sehingga massa ekuivalen emas adalah

me = 197/3 = 65,67 gram

Menghitung Logam Emas Yang Melapisi Permukaan Kunci Besi

Massa emas yang melapisi kunci besi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut

W = (i x t x me)/96500 atau

W = me x F

W = 65,67 x 0,02

W = 1,313 gram

Jadi, massa logam emas yang melapisi kunci besi adalah 1,3,13 gram

11). Contoh Soal Perhitungan Elektroplating Logam Besi Fe Dengan Tembaga Cu

Pada penyepuhan logam besi dengan tembaga digunakan larutan CuSO4 dengan arus 4 A selama 15 menit. Hitung massa tembaga yang melapisi permukaan besi tersebut

Diketahui

i = 4 A

t = 15 menit = 900 detik

Ar Cu = 63,5

Menentukan Muatan Ion Tembaga

Reaksi reduksi Ion tembaga di katoda

Cu2+ (aq) + 2e →   Cu (s)

Muatan Ion Cu2+ adalah = 2

Menentukan Massa Ekuivalen Tembaga

Massa ekuavalen tembaga adalah

me = 63,5/2 = 31,75 gram

Menentukan Massa Tembaga Yang Melapisi Logam Besi

Massa tembaga yang melapisi permukan logam besi dapat dihitung dengan rumus berikut

W = (i x t x me)/96500

W = (4 x 900 x 31,75)/96500

W = 1,184 gram

Jadi, massa tembaga yang melapisi logam besi adalah 1,184 gram

12). Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukum Faraday Sel Elektrolisis

Larutan AgNO3 (Ar Ag = 108) dialiri listrik 10 ampere selama 1 jam. Berapa gram logam perak yang dapat diendapkan?

Diketahui

Ar Ag = 108

Menentukan Massa Ekuivalen Perak

me Ag = 108/1

i = 10 ampere

t = 1 x60x60 =3600 detik

Rumus Menghitunga Massa Perak Yang Diendapkan Pada Sel Elektrolisis:

Massa logam yang diendapkan pada proses elektrolisis dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut

w = (me.i.t)/96.500

w = (108x10x3.600)/96.500

w = 40,3

jadi Massa logam perak yang diendapkan adalah 40,3 gram

13). Contoh Soal Perhitugan Rumus Hukum Faraday II Sel Elektrolisis

Sejumlah arus listrik dialirkan melalui larutan AgNO3 dan larutan CuSO4. Bila logam perak yang diendapkan sebanyak 21,6 gram, berapa gram logam tembaga yang diendapkan?

Diketahui:

Ar Ag = 108, Cu = 63,5)

Menghitung Logam Yang Diendapkan Pada Sel Elektrolisis

Massa yang diendapakan pada sel elektrolisis dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus berikut

w Ag : w Cu = me Ag : me Cu

21,6 : w Cu = (108/1) : (63,5/2)

21,6 : w Cu = (108) : (31,75)

w Cu = (21,6 x31,75)/108

w Cu = 6,35 gram

Jadi Massa tembaga yang diendapkan pada sel elektrolisis adalah 6,35 gram

14), Contoh Soal Hukum Faraday I Sel ELektrolisis

Berapakah massa tembaga yang diendapkan di katode pada elektrolisis larutan CuSO4 dengan menggunakan arus 2 A selama 20 menit. (Ar Cu = 63,5 g/mol)

Diketahui

t = 20 menit = 1.200 s

Arus I = 2 A

Reaksi Pada Katoda Sel Elektrolisis

Di katode, terjadi reaksi reduksi Cu2+ menjadi Cu:

Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

Menghitung Massa Ekuivalen Tembaga

me = 63,5/2

me = 31,75 g/mol

Mengitung Massa Tembaga Yang Diendapakan Pada Sel Elektrolisis

w = (me.i.t)/96.500

w = (31,75x2x1.200)/96.500

w = 0,789 gram

Jadi, massa tembaga yang diendapkan pada katode adalah 0,789 gram.

Daftar Pustaka:

  1. Sunarya, Yayan, 2014, “Kimia Dasar 1, Berdasarkan Prinsip Prinsip Kimia Terkini”, Cetakan Ketiga, Yrama Widya, Bandung.
  2. Sunarya, Yayan, 2013, “Kimia Dasar 2, Berdasarkan Prinsip Prinsip Kimia Terkini”, Cetakan Kedua, Yrama Widya, Bandung.
  3. Syukri, S., 1999, “Kimia Dasar 2”, Jillid 2, Penerbit ITB, Bandung
  4. Chang, Raymond, 2004, “Kimia Dasar, Konsep -konsep Inti”, Edisi Ketiga, Jilid Satu, Penerbit, Erlangga, Jakarta.
  5. Brady, James, E,1999, “Kimia Universitas Asas dan Struktur”, Edisi Kelima, Jilid Satu, Binarupa Aksara, Jakarta,
  6. Brady, James, E., 1999, “Kimia Universitas Asas dan Struktur”, Edisi Kelima, Jilid Dua, Binarupa Aksara, Jakarta.
  7. Rangkuman Ringkasan: Sel elektrokimia dibedakan menjadi dua, yaitu sel volta dan sel elektrolisis.
  8. Pada sel volta reaksi redoks berlangsung spontan sehingga menghasilkan arus listrik.
  9. Pada sel elektrolisis arus listrik menyebabkan terjadinya reaksi redoks yang tidak dapat berlangsung spontan.
  10. Sel volta yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah baterai dan aki.
  11. Hukum Faraday I menyatakan banyaknya zat yang dibebaskan selama elektrolisis tergantung pada jumlah listrik yang digunakan.
  12. Hukum Faraday II menyatakan banyaknya zat yang dibebaskan tergantung pada massa ekivalen spesi yang bersangkutan
  13. Bila arus listrik yang sama dialirkan pada dua sel elektrolisis atau lebih maka perbandingan banyaknya zat yang dibebaskan sama dengan perbandingan massa ekivalennya.
  14. Elektrolisis dapat digunakan untuk membuat beberapa bahan kimia dan untuk penyepuhan logam.

Hukum Biot Savart, Gaya Lorentz, Induksi Medan Magnetik: Pengertian Rumus Contoh Soal Perhitungan,

Pengertian Medan Magnetik. Di sekitar benda magnet selalu ada daerah atau ruang atau tempa yang dinamai medan magnet. Pada daerah ini, magnet lain dan benda yang bersifat magnet akan dipengaruhi oleh gaya magnet.

Sumber Medan Magnet

Sumber medan magnetic dibedakan menjadi dua jenis, yaitu magnet permanen dan magnet induksi.

Garis Gaya Magnet

Di sekitar magnet permanen terdapat medan megnetik yang digambarkan dengan garis garis gaya magnetic. Garis garis gaya megnetik selalu keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet. Sedangan di dalam magnet, arah garis garis gaya magnetic digambarkan dari selatan ke utara.


Garis garis gaya magnet dapat menunjukkan kekuatan dari medan maget. Daerah yang memiliki medan magnet kuat digambarkan dengan garis garis gaya yang rapat. Sedangkan daerah yang medan magnetiknya lemah digambarkan dengan garis garis gaya yang renggang..

Daerah medan magnet yang memiliki kuat medan magnetic terbesar disebut kutub magnet. Setiap magne memiliki dua kutub yaitu kutub utara dan kutub selatan.

Induksi Medan Magnetik

Medan Magnet yang dihasilkan oleh arus listrik disebut medan magnet induksi. Garis garis gaya magnet oleh arus listrik selalu melingkari kawat. Dalam hal ini Kawat sebagai sumbu lingkaran.

Arah Medan Magnet

Orientasi arah garis garis gaya megnet mengikuti aturan tangan kanan atau aturan putaran sektup. Arah medan magnet di suatu titik searah dengan orientasi garis garis gaya dan selalu menyinggung lingkaran garis garis gaya.

Aturan Tangan Kanan Arah Medan Magnet Kawat Berarus
Aturan Tangan Kanan Arah Medan Magnet Kawat Berarus

Kaidah Aturan Tangan Kanan

Apabila arah ibu jari menyatakan arah aliran arus listrik, maka arah lipatan jari-jari yang lainnya menyatakan arah medan magnet.

Hukum Bio Savart

Hukum Biot–Savart menyatakan bahwa besarnya induksi magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus listrik adalah:

– Berbanding lurus dengan kuat arus yang mengalir pada kawat tersebut.

– Berbanding lurus dengan panjang kawat penghantarnya.

– Berbanding lurus dengan sinus sudut yang dibentuk oleh arah arus dengan garis hubung dari suatu titik ke kawat penghantar.

– Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari titik itu ke kawat penghantar.

Kuat Medan Magnet

Kuat  medan magnetic menunjukkan besarnya induksi magnetic yang ditimbulkan oleh sebuah kawat yang berarus listrik.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Kawat Lurus

Besarnya kuat medan magnet di sekitar kawat lurus panjang beraliran arus listrik dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

BP =(μ0. I)/(2.π.r)

Dengan Keterangan

BP = induksi magnetik di suatu titik (P)  (Wb/m2 atau Tesla)

μ0 = permeabilitas ruang hampa (4 ×10-7 Wb.A-1m-1)

I = kuat arus yang mengalir dalam kawat (A)

r = jarak suatu titik (P) ke kawat penghantar (m)

Contoh Soal Ujian Kuat Medan Magnet Kawat Lurus

Sebuah kawat lurus panjang yang dialiri arus listik sebesar 10 A dari arah timur ke barat, tentukan besar dan arah induksi magnetik di titik P tepat di bawah kawat tersebut pada jarak 10 cm..

Penyelesaian :

Diketahui :

I = 10 A

r= 10 cm = 0,1 m

μ0 = 4 π×10-7 Wb A-1 m-1

Ditanyakan :

BP = …?

Jawab

BP =(μ0.I)/(2.π.r)

BP = (4 x 3,14 x10-7x10)/(2 x 3,14 x 0,1)

Bp = 2 x 10-5 Tesla  yang arahnya ke selatan.

Jadi, besarnya induksi magnet di titik P adalah: 2 x 10-5 Tesla dan arahnya ke selatan.

Contoh Soal Lainnya Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Kawat Lingkaran

Besarnya induksi magnetic di pusat kawat berbentuk lingkaran dapat dinyatakan sebagai berikut:

BP =(μ0 I)/(2.r)

Jika keliling lingkaran tidak penuh atau tidak membentuk  3600, misalkan θ derajat, maka besar induksi magnetic di pusat lingkaran dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

BP = (θ/360)x(μ0 I)/(2.r)

Jika terdapat terdapat N lilitan kawat yang membentuk lingkaran, maka induksi magnetiknya adalah:

BP = N (μ0 I)/(2.r)

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida

Solenoida adalah kumparan yang memanjang yang memiliki diameter lebih kecil dibandingkan dengan Panjang kumparannya. Jarak antara lilitan yang satu dengan yang lainnya sangat rapat dan biasanya terdiri atas satu lapisan atau lebih.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida
Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida

Besarnya induksi magnetic di tengah atau pusat solenoida dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

BP = N (μ0 I)/(L)

Sedangkan besar induksi magnetic di ujung solenoida dapat dinyatakan dengan mebggunakan persamaan rumus berikut:

BP = N (μ0 I)/(2.L)

Dengan Keterangan:

N = jumlah lilitan kawat

L = Panjang solenoida

Contoh Soal Perhitungan Rumus Kuat Medan Magnet Solenoida

Suatu solenoida memiliki panjang 2 m dan 800 lilitan dengan jari- jari 2 cm. Jika solenoida dialiri arus 0,5 A, tentukan induksi magnetic di pusat solenoida,

Penyelesaian:

Diketahui

L = 2 m

N = 800

I = 0,5 A

Ditanyakan Bp di pusat solenoida = ..?

Jawab

BP = N (μ0 I)/(L)

BP = 800 (4 π×10-7 Wb.A-1m-1 x 0,5A)/(2m)

BP = 2,5 x 10-4 T

Contoh Soal Lainnya Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida

Toroida  adalah sebuah solenoida yang dilengkungkan sehingga membentuk sebuah lingkaran.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida
Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida

Besar induksi magnetic pada toroida dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

BP = N (μ0 I)/(2.π.r) atau

BP = N (μ0 I)/(L)

Dengan keterangan:

r = jari jari toroida, m

Gaya Lorentz

Gaya magnetik atau gaya lorentz adalah gaya yang timbul pada penghantar berarus atau muatan yang bergerak dalam medan magnetik.

Jika kawat sepanjang l dialiri arus listrik sebesar I dan berada dalam medan magnet B, maka kawat tersebut akan mengalami gaya Lorentz atau gaya magnet.

Besarnya gaya magnetik gaya Lorentz yang dialami oleh kawat yang beraliran arus lisrik :

– Berbanding lurus dengan kuat medan magnet/induksi magnet (B).

– Berbanding lurus dengan kuat arus listrik yang mengalir dalam kawat (I).

– Berbanding lurus dengan panjang kawat penghantar ( L).

– Berbanding lurus dengan sudut (θ) yang dibentuk arah arus (I) dengan arah induksi magnet (B).

Arah Gaya Lorentz

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan seperti yang ditunjukkan dalam gambar berikut  (Gambar en.wikipedia)

Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Kawat Berarus
Gaya Lorenzt Gaya Magnet Kawat Berarus

Aturan Tangan Kanan Gaya Lorentz

Apabila tangan kanan dalam keadaan terbuka, semua jari- jari dan ibu jari diluruskan. Arah dari pergelangan tangan menuju jari- jari menyatakan arah induksi magnet B dan arah ibu jari menyatakan arah arus listrik I, maka arah gaya magnetiknya F dinyatakan dengan arah telapak tangan menghadap (arah F ke atas).

Gaya Lorentz  Gaya Magnet Kawat Berarus

Gaya Lorentz yang terjadi pada kawat berarus dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

F = B. I. L sin θ

Contoh Soal Perhitungan Rumus Gaya Lorentz  Gaya Magnet Kawat Berarus

Sebuah kawat  berarus 3 A berada dalam medan magnet 0,5 tesla yang membentuk sudut 300. Berapakah besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut sepanjang 5 cm?

Penyelesaian

Diketahui

I = 3 A

B = 0,5 tesla (1 tesla = 1 wb/m2)

θ = 300

L = 5 cm = 5.10-2 m

Ditanyakan F = …

Gaya Lorentz memenuhi :

F = B .I .L sin 300

F = 0,5 . 3 . 5.10-2 . 1/2

F = 3,75 . 10-2 N

Contoh Soal Lainnya Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Gaya Lorentz  Gaya Magnet Muatan Bergerak

Jika sebuah muatan listrik bergerak dalam medan magnet, maka muatan tersebut akan mengalami gaya Lorentz atau gaya magnet. Besar gaya Lorentz yang terjadi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

F = B. q. v sin θ

Gaya Lorentz  Gaya Magnet Dua Kawat Sejajar

Besarnya gaya Lorentz baik Tarik menarik atau tolak menolak pada dua kawat sejajar yang berarus listrik dapat ditentukan dengan menggunkan formulasi persamaan berikut:

F1= F2 = l. (μ0 I1 I2)/(2πr)

Jika arah arus pada kedua kawat tersebut searah, maka kedua kawat akan saling Tarik menarik. Dan jika arah arus pada kedua kawat saling berlawanan, maka kawat akan saling tolak menolak.

Fluks Magnet

Michael Faraday menggambarkan medan magnetic sebagai garis garis gaya. Garis gaya semakin rapat menunjukkan medan magnetic yang semakin kuat. Kuat medan magnetic menunjukkan besarnya induksi magnetic.

Fluks magnetik menyatakan banyaknya jumlah garis gaya yang menembus permukaan bidang secara tegak lurus.  Jadi kalau garis gaya tidak tegak lurus, maka ada koreksi terhadap arah datangnya dengan menggunakan sudut datang θ.

Fluks Magnetik Induksi
Fluks Magnetik Induksi

Fluks magnetic φ adalah banyaknya garis medan magnetic yang dilingkupi oleh suatu luas daerah tertentu A dalam arah tegak lurus. Fluks magnetik dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

φ = B. A cos q

Dengan Keterangan:

φ = Fluks magnet (Wb)

A = Luas Penampang m2

B = Induksi magnet (T)

θ = sudut antara B dengan garis normal bidang A

Hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahwa “Jika fluks magnet yang memesuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung – ujung kumparan akan timbul gaya geral listrik induksi dan besarnya bergantung pada laju perubahan fluks magnet yang dilingkupi oleh kumparan”.

Jika kumparan yang memiliki N buah lilitan, maka gaya gerak listrik induksinya dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

εinduksi = – N (Δf/Δt)

εinduksi = GGL induksi (volt)

N = jumlah lilitan

Δf/Δt = laju perubahan fluks magnet (Wb/detik)

Selain itu, gaya gerak listrik induksi dapat pula terbentuk akibat terjadinya perubahan medan magnet atau perubahan luas kumparan.

Gaya gerak listrik induksi yang terbentuk akibat adanya perubahan medan magnet atau induksi magnet dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:

εinduksi = – N. A (ΔB/Δt)

Ketika yang berubah adalah luas kumparan, maka besarnya gaya gerak listrik induksi yang terjadi dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:

εinduksi = – N. B (ΔA/Δt)

Dengan keterangan:

N = jumlah lilitan

A = luas kumparan

B = kuat medan magnet (T)

1). Contoh Soal Perhitungan Induksi Magnetik Hukum Biot Savart

Sebuah kawat lurus panjang yang dialiri arus listik sebesar 10 A dari arah timur ke barat, tentukan besar dan arah induksi magnetik di titik P tepat di bawah kawat tersebut pada jarak 10 cm.

Penyelesaian :

Diketahui :

I = 10 A

r = 10 cm = 0,1 m

μ0= 4π ×10-7 WbA-1m-1

Ditanyakan :

BP = …?

Jawab :

BP  = μ0.I/2π.r

BP  = (4π×10-7x10)/[2π x (0,1)]

BP = 2×10-5 T yang arahnya ke selatan.

Jadi, besarnya induksi magnet di titik P adalah : 2×10-5 T yang arahnya ke selatan.

2). Contoh Soal Perhitungan Rumus Induksi Magnetik Kawat Penghantar Lurus

Tentukan besar induksi magnetik pada jarak 30 cm dari pusat sebuah penghantar lurus yang berarus listrik 90 A

Penyelesaian:

Diketahui:

r = 30 cm = 30 × 10-2 m, Jarak ke penghantar,

I = 90 A,  kuat arus listrik,

μ0 = 4π × 10-7 Wb/A.m,  permeabilitas vakum,

Ditanya:

B = Besar induksi magnetik oleh penghantar lurus

Rumus Menghitung Induksi Magnetik Kawat Penghantar Biot Savart

Besar induksi magnetic yang ditimbulkan oleh kawat penghantar dapat dinyatakan dengan rumus berikut

BP = μ0.I/2.π.r

BP = (4π x10-7)(90)/(2πx0,3)

BP = 6×10-5 T

3). Contoh Soal Perhitungan Gaya Magnetik Antara Dua Kawat Lurus

Dua kawat berarus listrik sejajar terpisah sejauh 10 cm satu dengan yang lainnya. Kawat C dialiri arus 12 ampere dan kawat D dialiri 8 ampere. Arus pada kedua mengalir searah. Hitunglah gaya magnetic yang dialami oleh kawat D yang panjangnya 2 m.

Perhitungan Gaya Lorentz Induksi Magnetik Antara Dua Kawat Lurus
Perhitungan Gaya Lorentz Induksi Magnetik Antara Dua Kawat Lurus

IC = 12 A

ID = 8 A

r = 10 cm = 0,1 m

LD = 2 m

μ0 = 4π × 10-7 Wb/A.m,

Menghitung Induksi Medan Magnetik Pada Kawat D Disebabkan Kawat C

Besar induksi magnetic pada kawat D yang disebabkan oleh kawat C yang berarus dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

BD = μ0.IC/2.π.r

BD = (4π × 10-7)(12)/(2.π.x0,1)

BD  = 2,4 x 10-5T

Sesuai dengan aturan kaidah tangan kanan, arah medan magnetic adalah tembus masuk ke bidang halaman. Sehingga I dengan BD Membentuk sudut 900

Menghitung Gaya Magnetik Pada Kawat D Oleh Kawat C

Besar gaya magnetic yang disebabkan oleh induksi magnetic dari kawat C (BD) dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

FM = ID LD BD sin θ

FM = 8 x 2 x (2,4×10-5) sin 900

FM = 38,4 x 10-5 N

Sesuai dengan aturan kaidah tangan kanan, gaya magnetic pada kawat D mengarah ke kanan.

 

 

4). Contoh Soal Perhitungan Induksi Magnetik Dua Kawat Lurus Sejajar Biot Savart

Dua kawat lurus panjang berarus listrik sejajar dengan jarak 15 cm. Kuat arusnya searah dengan besar IA = 20 A dan IB = 30 A. Tentukan induksi magnet di suatu titik C yang berada diantara kedua kawat berjarak 5 cm dari kawat IA.

Diketahui:

IA = 20 A

IB = 30 A

rA = 5 cm

rB = 10 cm

μ0 = 4π × 10-7 Wb/A.m

Letak titik P dapat dilihat seperti pada Gambar. Sesuai kaedah tangan kanan arah induksi magnetnya berlawanan arah sehingga memenuhi persamaan berikut:

Perhitungan Induksi Magnetik Dua Kawat Lurus Sejajar Biot Savart
Perhitungan Induksi Magnetik Dua Kawat Lurus Sejajar Biot Savart

BC = BA – BB

Menghitung Induksi Magnetik Kawat Lurus Arus IA

BA = μ0.IA/2.π.rA

BA = (4π×10-7)(20)/2.π.(0,05))

BA = 8 x 10-5 T

Menghitung Induksi Magnetik Kawat Lurus Arus IB

BB = μ0.IB/2.π.rB

BB = (4π×10-7)(30)/2.π.(0,1))

BB = 6 x 10-5 T

Menghitung Induksi Magnetik Di Titil P Dari Dua Kawat Lurus Berarus

BC = BA – BB

BP = (8 x 10-5) – (6 x 10-5)

BP = 2x 10-5 T

5). Contoh Soal Perhitungan Medan Magnetik di Sekitar Arus yang Melingkar

Tentukanlah besarnya induksi medan magnetik di pusat lingkaran berarus 4 ampere, jika jari-jari lingkaran 16 cm!

Penyelesaian:

Diketahui:

I = 4 A

r = 16 cm = 0,16 m

μ0 = 4π × 10-7 Wb/A.m,  permeabilitas vakum,

Jawab

Rumus Menghitung Induksi Medan Magnetik Sekitar Arus Melingkar

Besarnya induksi magnetic sekitar arus melingkar dapat dinyatakan dengan rumus berikut

BP = μ0.I/2.r

BP = (4π x10-7)(4)/(2×0,16)

BP = 5π x 10-6 T

6). Contoh Soal Perhitungan Induksi Magnetik Di Tengah Selonoida

Sebuah solenoida jari-jarinya 4 mm dan panjangnya 100 cm memiliki 500 lilitan. Jika dialiri arus 2 A maka tentukan induksi magnet di titik tengah suatu solenoida

Diketahui

L = 100 cm = 1 m

N = 500

I = 2 A

μ0= 4π×10-7 WbA-1m-1

Menghitung Besar Induksi Magnetik Di Tengah Solenoida

Induksi magnet di titik tengah suatu solenoida dapat dinyatakan dengan menggunaka persamaan berikut:

B = μ0.I.n

n = N/L

B = μ0.I.N/L

B = (4π×10-7)(2)(500)/(1)

B = 4π x 10-4 wb/m2

7). Contoh Soal Perhitungan Biot Savart Solenoida

Sebuah solenoida yang panjangnya L = 4m dengan jari jarinya r = 4m memiliki 1600 lilitan dan dialiri arus listrik 1 ampere.

a). hitunglah induksi megnetik di ujung solenoida

b). Jika solenoida direnggangkan sehingga panjanggnya dua kali semula. hitung besar induksi magnetic di ujung solenoida tersebut.

Diketahui

L = panjang 4m

r = 4 m

N = 1600 lilitan

I = 1 ampere

μ0= 4π×10-7 WbA-1m-1

Jawab:

a). Rumus Menghitung Induksi Magnetik Ujung Solenoida

Induksi magnetic di ujung solenoida dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan berikut:

BP  = μ0.I.N/2L

Bp = (4π×10-7)(1)(1600)/(2×4)

Bp = 8π x 10-5 T

b). Menghitung Induksi Magnetik Biot Savart Solenoida Panjang Dua Kali.

Jika panjangnya dijadikan dua kali semula, sehingga Panjang L= 2 x4 = 8m, maka induksi magnetic dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

BP = μ0.I.N/2.L

Bp = (4π×10-7)(1)(1600)/(2x2x4)

Bp = 4π x 10-5 T

8). Contoh Soal Perhitungan Medan Magnetik Selonoida

Sebuah selonoida terdiri dari 20 lilitan per cm dialiri arus 10 A. tentukan medan magnet di tengah tengah dan di ujung selonoida.

Diketahui

n = 20 lilitan/cm = 2000 lilitan/1m atau

N = 2000 lilitan

L = 1 m

I = 10 A

μ0 = 4π×10-7 WbA-1m-1

Menghitung Medan Magnetik Di Tengah Selonoida

Besar medan magnetic di tengah tengah selonoida dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

B = μ0 .I.n  atau

B = μ0 I.N/.L

B = (4π×10-7)(10)(2000)/(1)

B = 8π x 10-3 T

Menghitung Medan Magnetik Di Ujung Selonoida

Besar medan magnetic di ujung selonoida dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

B = μ0.I.N/2.L

B = (4π×10-7)(10)(2000)/(2×1)

B = 4π x 10-3 T

9). Contoh Soal Perhitungan Medan Magnetik Toroida

Sebuah toroida mempunyai 200 lilitan dengan jari jari 20 cm dialiri arus 6 ampere. Tentukan medan magnet di dalam sumbu lilitan teroida tersebut

Diketahui

N = 200 lilitan

r = 20 cm = 0,2 m

I = 6 A

μ0= 4π×10-7 WbA-1m-1

Rumus Menghitungan Medan Magnetik Toroida

Besar medan magnetic dalam totoida dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

B = μ0. I.N/2.π.r

B = (4π×10-7)(6)(200)/(2πx0,2)

B = 1,2 x 10-3 T

10). Contoh Soal Rumus Perhitungan Induksi Magnetik Toroida

Sebuah toroida memiliki 2.000 lilitan dialiri arus sebesar 10 A. Toroida memiliki jari-jari lingkaran bagian dalam 4 cm dan bagian luar 6 cm. Tentukan besarnya induksi magnet pada toroida tersebut!

Diketahui :

N = 2.000 lilitan

I = 10 A

r1 = 4 cm = 0,04 m

r2 = 6 cm = 0,06 m

Jawab :

Jari-jari rata-rata toroida adalah :

r = (0,04 + 0,06)/2

r = 0,05 m

Menghitung Induksi Magnetik Toroida

Besar induksi magnetic toroida dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

B = μ0. I.N/2.π.r

B = (4π×10-7)(10)(2000)/(2πx0,05)

B =  8x 10-2 T

11). Contoh Soal Perhitungan Gaya Magnet Kawat Penghantar Berarus

Sebuah kawat penghantar panjangnya 50 cm diletakkan di dalam medan magnet homogen 2×10-5 T dan membentuk sudut 30o. Berapa N gaya magnet yang dialami kawat jika dialiri arus sebesar 10 A

Diketahui:

L = 50 cm = 0,5 m

B = 2×10-5 T

θ = 30o

I = 10 A

Jawab:

Menghitung Gaya Magnet Kawat Penghantar

Besar gaya magnet pada kawat yang diletakan dalam medan magnet dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan berikut:

F = B.I.L.sin θ

F= 2×10-5 x 10 x 0,5 x sin 30o

F= 10×10-5 x (0,5)

F= 5 x10-5 N

12). Contoh Soal Perhitungan Kuat Arus Kawat Dalam Gaya Lorentz

Suatu kawat berarus listrik berada dalam medan magnetik 2 T dengan membentuk sudut 60o terhadap kawat. Jika Panjang kawat 2 meter, dan besarnya gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut 17,4 N, hitung besar arus yang mengalir pada kawat tersebut

Diketahui:

F = 17,4

θ = 60o

B = 2 T

L = 2 m

Menghitung Gaya Lorentz Kawat Berarus

Besar gaya Lorentz yang dialami kawat berarus Ketika berada dalam medan magnet dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

F = B.I.L sin θ atau

I = F/(B.L sin θ)

I = (17,4)/(2x2x sin 60o)

I = 4,35/(0,87)

I = 5A

13). Contoh Soal Perhitungan Gaya Magnetik Lorentz Dua Kawat Sejajar Berarus

Dua buah kawat panjang sejajar terpisah pada jarak 5 cm, masing- masing dialiri arus sebesar 5 A dan 10 A, tentukan besar gaya magnetik per satuan panjang yang bekerja pada kawat:

Diketahui:

r = 5 cm = 0,05 m

I1 = 5 A

I2 = 10 A

μ0 = 4 π × 10-7 Wb A-1m-1

Jawab:

Menghitung Gaya Lorentz Dua Kawar Berarus Sejajar

Besar gaya magnetic Lorentz persatuan Panjang yang dialami kedua kawat dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

F/L = (μ0.I1.I2)/(2.π.r)

F/L = = (4 π x10-7)(5)(10)/(2.π x0,05)

F/L = 2×10-4 N

14). Contoh Soal Perhitungan Kecepatan Muatan Dalam Medan Magnet

Suatu muatan bermassa 18,4× 10-38 kg bergerak memotong secara tegak lurus medan magnetik 4 tesla. Jika muatan sebesar 3,2 × 10-9 C dan jari-jari lintasannya 2 cm, tentukan kecepatan muatan tersebut!

Diketahui:

m = 18,4 × 10-38 kg

B = 4 tesla

q = 3,2 × 10-9 C

r = 2 cm = 0,02 m

Menghitung Kecapata Partikel Bermuatan Dalam Medan Magnet

Besarnya kecepatan muatan dapat dinyatakan dengan menggunakan Persamaan berikut:

r = (m.v)/(q.B) atau

v = (r.q.B)/m

v = (0,02)(3,2 × 10-9)(4)/(18,4× 10-38)

v = 1,39 x 1027 m/s

15). Contoh Soal Perhitungan Gaya Magnetik Lorentz Partikel Bermuatan

Sebuah partikel bermuatan sebesar 4×10-5 C bergerak dalam medan magnet 2 Wb/m2 dengan kecepatan 3×104 m/s. Tentukan besarnya gaya magnetik yang dialami partikel tersebut jika arah geraknya membentuk sudut 30o terhadap medan magnet!

Diketahui :

q = 4×10-5 C

B = 2 Wb/m2

v = 3×104 m/s

θ = 30o

Jawab:

Menghitung Gaya Magnetik Lorentz Partikel Bermuatan Bergerak

Besar gaya magnetic lorentz yang dialami partikel bemuatan yang sedang bergerak dalam medan magnetic dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

F = B.q.v sin θ

F= (2)(4×10-5)(3×104) sin 30o

F = 2,4 x ½

F= 1,2  N

Jadi, besarnya gaya magnetik yang dialami partikel adalah 1,2 N.

Daftar Pustaka:

  1. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,  Jakarta.
  2. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  3. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  4. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Gelombang, Jenis Gelombang, Sifat-sifat Gelombang, Contoh Gelombang, Manfaat fungsi gelombang,
  5. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  6. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  7. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  8. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  9. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Induksi Medan Magnet, Pengertian Medan Magnetik, Contoh Sumber Medan Magnet, magnet permanen dan magnet induksi, Garis Gaya Magnet, Arah Garis Gaya Magnet, Contoh Garis garis gaya magnet, kutub utara dan kutub selatan magnet,
  10. Ardra.Biz, 2019,”Contoh Induksi Medan Magnetik, medan magnet induksi, Arah Medan Magnet, Orientasi arah garis garis gaya megnet, Gambar Arah Medan Magnet, Bunyi Pernyataan Aturan Tangan Kanan,  Kaidah Tangan Kanan arah medan magnet, Bunyi Penrnyataan Hukum Bio Savart,
  11. Ardra.Biz, 2019,”Rumus Persamaan Hukum Biot–Savart, Contoh Soal Rumus Persamaan Hukum Biot–Savart, Rumus Persamaan Kuat Medan Magnet, Kuat Induksi Magnet Kawat Lurus,  Rumus kuat medan magnet, Satuan  induksi magnetic,
  12. Ardra.Biz, 2019, “Nilai satuan permeabilitas ruang hampa, satuan kuat arus, Contoh Soal Ujian Kuat Medan Magnet Kawat Lurus, Pengertian satuan Tesla, Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Kawat Lingkaran, Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida,  Pengertian Solenoida,
  13. Ardra.Biz, 2019, “Contoh  kumparan solenoida, Rumus induksi magnetic di tengah dan ujung solenoida, Contoh Soal Perhitungan Rumus Kuat Medan Magnet Solenoida, Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida, Pengertian Contoh Toroida, Rumus induksi magnetic toroida,
  14. Ardra.Biz, 2019, “Gaya Lorentz, Bunyi Pernyataan Hukum Lorentz, gaya Lorentz atau gaya magnet, Arah Gaya Lorenzt Aturan tangan kanan Arah gaya Lorenzt, Aturan Tangan Kanan Gaya Lorenzt, Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Kawat Berarus,
  15. Ardra.Biz, 2019, “Satuan Gaya Lorenzt, Persamaan rumus Hukum Lorenzt, Contoh Soal Perhitungan Rumus Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Kawat Berarus,
  16. Ardra.Biz, 2019, “Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Muatan Bergerak, Rumus Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Dua Kawat Sejajar, Pengertian Fluks Magnet, Rumus  Fluks magnetic, Pengaruh Kuat medan magnetic terhadap besarnya induksi magnetic, Gambar Fluks magnetic, Satuan  Fluks magnet (Wb),
  17. Ardra.Biz, 2019, “Satuan Induksi magnet (T), Bunyi Pernyataan Hukum Faraday, Rumus Hukum Faraday, Satuan GGL induksi (volt), Rumus gaya gerak listrik induksi, Satuan kuat medan magnet (T).