BAB II DASAR TEORI 2.1 Magnet Magnet adalah suatu obyek yang

3
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Magnet
Magnet adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Asal kata magnet
diduga dari kata magnesia.Sekitar 4.000 tahun yang lalu telah ditemukan sejenis batu
yang memiliki sifat dapat menarik besi atau baja atau campuran logam lainnya.Benda
yang dapat menarik besi atau baja inilah yang disebut magnet.Di dalam kehidupan seharihari kata “magnet” sudah sering kita dengar, namun sering juga berpikir bahwa jika
mendengar kata magnet selalu berkonotasi menarik benda. Banyak peralatan yang sering
digunakan, antara lain bel listrik, telepon, dinamo, alat-alat ukur listrik, kompas yang
semuanya menggunakan bahan magnet.
Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah banyak
dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas magnetmagnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnet-magnet kecil ini
disebut magnet elementer. Magnet dapat menarik benda lain, beberapa benda bahkan
tertarik lebih kuat dari yang lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam
mempunyai daya tarik yang sama terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh
materi yang mempunyai daya tarik yang tinggi oleh magnet.Satuan intensitas magnet
menurut sistem metrik Satuan Internasional (SI) adalah Tesla dan SI unit untuk total fluks
magnetik adalah weber (1 weber/m2= 1 tesla) yang mempengaruhi luasan satu meter
persegi.
Pada magnet terdapat beberapa bagian, antara lain:
a.
Kutub Magnet
Bagian magnet yang mempunyai gaya tarik terbesar disebut kutub magnet.Magnet selalu
mempunyai dua kutub.Hal ini dapat diketahui bila sebuah magnet batang dicelupkan ke
dalam serbuk besi.Di bagian tengah (daerah netral) tidak ada serbuk besi yang melekat,
sedangkan bagian ke ujung makin banyak serbuk besi yang melekat pada magnet.Bagian
yang banyak dilekati serbuk besi merupakan kutub magnet. Hal ini menandakan, gaya
magnet yang paling besar berada di ujung - ujung magnet.
b.
Sumbu Magnet
Sumbu magnet yaitu garis yang menghubungkan antara kedua kutub magnet seperti
seperti terlihat pada gambar 2.1 di bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
4
Gambar 2.1 Sumbu Magnet
c.
Magnet Elementer
Setiap benda magnetik pada dasarnya terdiri dari magnet - magnet kecil yang disebut
magnet elementer.Magnet elementer adalah magnet yang paling kecil yang berupa atom.
Suatu benda akan bersifat magnet jika magnet - magnet elementernya mempunyai arah
yang cenderung sama/ beraturan dan benda yang tidak mempunyai sifat magnet jika
magnet - magnet elementernya mempunyai arah acak (sembarang).
Pada sebuah magnet, magnet - magnet elementernya tersusun rapi dan menunjuk
arah yang sama, sehingga menimbulkan kutub - kutub magnet. Antar magnet elementer
tersebut terdapat gaya tolak - menolak dan gaya tarik - menarik. Akan tetapi, di bagian
ujung magnet hanya terdapat gaya tolak - menolak. Itulah sebabnya pada ujung - ujung
magnet terdapat gaya magnet paling kuat sedangkan bagian tengahnya lemah.
Pada benda bukan magnet, magnet - magnet elementernya tersusun dengan arah
yang berlainan atau arah yang acak sehingga tidak menimbulkan kutub magnet. Karena
arahnya acak, gaya tarik - menarik dan tolak - menolak antar magnet elementer saling
meniadakan. Itulah sebabnya pada besi bukan magnet tidak terdapat gaya magnet (sifat
magnet). Untuk besi yang dapat menjadi magnet akan terjadi perubahan susunan seperti
pada gambar 2.2 saat menjadi magnet.
(a)(b)
Gambar 2.2 (a) susunan magnet elementer besi/baja sebelum menjadi magnet (b) susunan
magnet elementer besi/baja sesudah menjadi magnet
2.1.1 Medan Magnet
Medan magnet terdiri dari garis-garis fluks imajiner yang berasal dari partikel bermuatan
listrik yang bergerak atau berputar.Contohnya partikel proton yang berputar dan
pergerakan elektron yang mengalir pada kawat dalam bentuk sirkuit elektronik seperti
terlihat pada gambar 2.3.
Universitas Sumatera Utara
5
Gambar 2.3 Fluks Medan Magnet
.Secara garis besar ada dua jenis magnet berdasarkan bagaimana medanmagnetnya
tercipta, yaitu:

Magnet permanen
Magnet permanen tidak tergantung akan adanya pengaruh dari luar dalam menghasilkan
medan magnetnya. Magnet ini dapat dihasilkan oleh alam atau dapat dibuat dari bahan
feromagnetik (bahan yang memiliki respon yang kuat terhadap medan magnet).
 Elektromagnet
Elektromagnet adalah magnet yang medan magnetnya tercipta karena adanya arus listrik
yang mengalir. Semakin besar arus yang diberikan, maka semakin besar pula medan
magnet yang dihasilkan.
2.1.2 Bentuk - bentuk Medan Magnet
a. Medan Magnet Pada Kawat Lurus
Bentuk garis medan magnet pada kawat panjang yang dialiri arus listrik berbentuk
lingkaran konsentris mengelilingi kawat tersebut. Arah dari medan magnetnya tegak lurus
terhadap kawat dan searah dengan jari - jari pada tangan kanan yang ditekuk, dan arah
arusnya sesuai dengan arah ibu jaridapat dilihat pada gambar 2.4.
Gambar 2.4 Garis Medan Magnet Pada Kawat Lurus
b. Medan Magnet Pada Kawat Berbentuk Loop
Universitas Sumatera Utara
6
Arus listrik yang mengalir pada kawat berbentuk loop menghasilkan medan magnet lebih
terpusat pada bagian tengah dibandingkan pada bagian luar loop seperti terlihat pada
gambar 2.5.
Gambar 2.5 Medan magnet pada kawat loop
c. Medan Magnet Pada Magnet Batang
Medan magnet pada sebuah batang magnet berbentuk garis tertutup. Melalui hasil
konvensi, arah medan magnet keluar dari kutub utara (N) menuju kutub selatan (S).
d. Medan magnet pada solenoid
Solenoid adalah kawat berarus listrik berbentuk loop yang biasanya dililitkan pada inti
dari besi sehingga menghasilkan medan magnet. Medan magnet yang seragam dihasilkan
pada pusat solenoid, sedangkan medan magnet yang terbentuk diluar solenoid lebih
lemah dan divergen dapat di lihat dari gambar 2.6.
Gambar 2.6 Medan magnet pada solenoid
2.1.3Macam - Macam Magnet
Berdasarkan sifat kemagnetannya magnet dapat dibedakan menjadi dua macam,
yaitu:
a.
Magnet Permanen
Magnet permanen adalah suatu bahan yang dapat menghasilkan medan magnet yang
besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar atau disebut magnet alam karena memiliki
sifat kemagnetan yang tetap. Magnet permanen dibuat orang dalam berbagai bentuk dan
dapat dibedakan menurut bentuknya menjadi:
Universitas Sumatera Utara
7
1. Neodymium Magnet
Magnet Neodymium merupakan magnet tetap yang paling kuat.Magnet Neodymium
(juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan sejenis magnet tanah
jarang, terbuat dari campuran logam Neodymium. Tetragonal Nd2Fe14B memiliki struktur
kristal yang sangat tinggi berbentuk uniaksial anisotropi magnetocrystalline.Senyawa ini
memiliki tinggi koersivitas (yaitu ketahanan mengalami kerusakan magnetik).
Nd2Fe14B cenderung rentan terhadap korosi.Secara khusus korosi sekecil apapun dapat
menyebabkan kerusakan magnet.Masalah ini dibahas dalam banyak produk komersial
dengan menyediakan lapisan pelindung.Pelapisan nikel atau dua pelapisan tembaga
berlapis nikel digunakan sebagai metode standar, meskipun pelapisan dengan logam
lainnya atau polimer dan lapisan pelindung pernis juga digunakan. Gambar magnet
Nd2Fe14B dalam kondisi belum di bentuk terlihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Magnet Neodymium
2. Samarium - Cobalt Magnet
Magnet Samarium - Cobalt adalah salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka,
merupakan magnet permanen yang kuat yang terbuat dari paduan samarium dan
kobalt.Magnet ini dikembangkan pada awal tahun 1970 dan umumnya terkuat kedua jenis
magnet dibuat, kurang kuat dari magnet neodymium tetapi memiliki peringkat temperatur
yang lebih tinggi. Magnet ini juga rapuh, dan rawan terhadap retak. Jenis magnet ini
dapat ditemukan di dalam alat - alat elektronik seperti VCD, DVD, VCR Player,
Handphone, dan lain - lain. Gambar magnet Samarium - Cobalt Magnet terlihat pada
gambar 2.8.
Universitas Sumatera Utara
8
Gambar 2.8Samarium-Cobalt Magnets
3. Magnet Keramik
Ferrites adalah senyawa kimia yang terdiri dari keramik bahan dengan besi (III) oksida
(Fe2O3) sebagai komponen utama. Bahan ini digunakan untuk membuat magnet
permanen, seperti core ferit untuk transformator, dan berbagai aplikasi lain. Ferit keras
banyak digunakan dalam komponen elektronik, diantaranya motor-motor DC kecil,
pengeras suara (loud speaker), meteran air, KWH-meter, telephone receiver ,circulator ,
dan rice cooker. Gambar magnet Keramik terlihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Keramik magnet
4. Magnet Plastik
Magnet dibuat dengan mencampur ferit atau bubuk Neodymium magnet dan pengikat
karet sintetis atau alami. Dibuat dengan menggulung atau metode ekstrusi. Magnet plastik
dibuat karena keuntungan dari magnet ini fleksibel, biaya rendah, dan kemudahan dalam
penggunaan. Magnet plastik biasanya diproduksi dalam bentuk lembaran strip atau yang
banyak digunakan dalam mikro-motor, gasket dan lain-lain. Magnet plastik sering
dilaminasi dengan vinil dicetak putih atau berwarna. Gambar magnet plastik terlihat pada
gambar 2.12
Universitas Sumatera Utara
9
Gambar 2.10 plastic magnet
5. Magnet Alnico
Alinco magnet adalah magnet paduan yang mengandung Alumunium (Al), Nikel (Ni),
Cobalt (Co).Karena dari tiga unsur tersebut magnet ini sering disebut Alnico.Sebenarnya
magnet alnico ini tidak hanya mengandung ketiga unsur saja melainkan ada beberapa
unsur mengandung besi dan tembaga, tetapi kandungan besi dan tembaga tersebut relatif
sedikit. Magnet alnicodikembangkan pada tahun 1930-an. Jenis magnet ini dapat
ditemukan di dalam alat-alat motor (kipas angin, speaker).Magnet ini adalah magnet yang
masih termasuk kategori berenergi rendah.Gambar Magnet Alnico terlihat pada gambar
2.11.
Gambar 2.11 Magnet Alnico
b. Magnet Tidak Tetap
Magnet tidak tetap (remanen) adalah suatu bahan yang hanya dapat menghasilkan medan
magnet yang bersifat sementara. Medan magnet remanen dihasilkan dengan cara
mengalirkan arus listrik atau digosok-gosokkan dengan magnet alam. Bila suatu bahan
pengantar dialiri arus listrik, besarnya medan magnet yang dihasilkan tergantung pada
besar arus listrik yang dialirkan. Medan magnet remanen yang digunakan dalam praktek
kebanyakan dihasilkan oleh arus dalam kumparan yang berinti besi. Agar medan magnet
yang dihasilkan cukup kuat, kumparan diisi dengan besi atau bahan sejenis besi dan
sistem ini dinamakan elektromagnet. Keuntungan elektromagnet adalah bahwa
kemagnetannya dapat dibuat sangat kuat, tergantung dengan arus yang dialirkan dan
kemagnetannya dapat dihilangkan dengan memutuskan arus listriknya.
c. Elektromagnetik
Sebuah elektromagnetik pada bentuk paling sederhana merupakan sebuah kabel yang
digulung menjadi satu loop atau lebih. Kumparan atau gulungan ini disebut solenoid.
Ketika kuat arus listrik mengalir pada kumparan, sebuah medan magnet dihasilkan
sepanjang kumparan. Kekuatan medan magnet dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor
yang mempengaruhi diantaranya, yaitu jumlah lilitan, besarnya arus dan bahan yang
digunakan sebagai inti kumparan.Jumlah lilitan mempengaruhi luas daerah yang
Universitas Sumatera Utara
10
berinteraksi, besar arus mempengaruhi aktivitas dan bahan intikumparan mempengaruhi
resistansi listrik.Inti kumparan harus merupankan bahan ferromagnetik, yaitu bahan yang
mudah dibuat menjadi magnet, karena beberapa bahan tidak dapat dibuat menjadi magnet
atau memiliki sifat kemagnetan yang sangat kecil seperti terlihat pada gambar 2.14 di
bawah ini.
Gambar 2.12 elektromagnet/solenoid
Pada sebuah selonoida, besar medan magnet yang dihasilkan oleh jumlah lilitan N, besar
arus I, permebialitas bahan inti kumparan μ dan panjang kumparan L
B=
µ𝐍𝐈
𝐋
..........................................................................................(2.5)
Gaya maksimum yang dapat dihasilkan sebuah solenoida dengan medan magnet B, luas
daerah tegak lurus A dan permebialitas bahan inti kumparan μ
𝐅 =
𝐁𝟐 𝐀
𝟐µ
........................................................................................(2.6)
Dengan mensubtitusikan maka kita akan mendapatkan persamaan yang baru.
𝐅 =
µ𝐍𝟐 𝐈 𝟐 𝐀
𝟐𝐋𝟐
....................................................................................(2.7)
Berdasarkan persamaan diatas diketahui bahwa untuk mendapatkan gaya magnet yang
kuat dibutuhkan jumlah lilitan yang banyak, arus yang besar, kumparan yang pendek,
diameter kawat besar dan permebialitas bahan inti yang tinggi. Permeabilitas bahan ini
ditentukan oleh jenis bahan yang digunakan dalam kumparan.
Pemilihan bahan inti kumparan sangat mempengaruhi besarnya gaya yang dihasilkan.
Dengan pemilihan bahan yang berbeda, kekuatan medan magnet yang dihasilkan dapat
berlipat ganda. Jarak sangat mempengaruhi kekuatan medan magnet yang dihasilkan
sesuai dengan hukum coulomb. Jadi, semakin jauh jarak suatu partikel dari magnet,
semakin kecil pula kuat medan magnet yang dirasakan partikel tersebut.
𝐪
E = K𝐫 𝟐..............................................................................................(2.8)
Dimana kuat medan magnet yang dirasakan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
magnet atau solenoida.
2.1.5 Sifat Kemagnetan Bahan
Universitas Sumatera Utara
11
Ketika materi ditempatkan dalam medan magnet, kekuatan magnetik dari bahan yang
elektron tersebut akan terpengaruh. Efek ini dikenal sebagai Hukum Faraday Induksi
Magnetik. Namun, bahan dapat bereaksi sangat berbeda dengan kehadiran medan magnet
luar. Reaksi ini tergantung pada sejumlah faktor, seperti struktur atom dan molekul
material, dan medan magnet bersih terkait dengan atom. Momen magnetik berhubungan
dengan atom memiliki tiga asal-usul. Ini adalah gerakan orbital elektron, perubahan
dalam gerak orbit yang disebabkan oleh medan magnet luar, dan spin dari elektron.
Pada sebagian besar atom, elektron terjadi pada pasangan. Spin elektron dalam pasangan
di arah yang berlawanan. Jadi, ketika elektron dipasangkan bersama-sama, mereka
berputar berlawanan menyebabkan medan magnet mereka untuk membatalkan satu sama
lain. Oleh karena itu, tidak ada medan magnet yang bersih. Berdasarkan sifat medan
magnet atomis, bahan dibagi menjadi tiga golongan, yaitu diamagnetik, paramagnetik dan
ferromagnetik.Berikut akan djelaskan tentang ketiga sifat dari kemagnetan.
a. Diamagnetik
Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing
atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol (Halliday & Resnick, 1989).
Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan
diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan berubah
gerakannya sedemikian hingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang
arahnya berlawanan.
Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron sehingga semua
bahan bersifat diamagnetik karena atomnya mempunyai elektron orbital. Bahan dapat
bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron
yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron
berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis gaya. Contoh bahan diamagnetik
yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng.
Bahan diagmanetik memiliki negatif, kerentanan lemah untuk medan magnet.
Diamagnetik sedikit ditolak oleh medan magnet dan materi tidak mempertahankan sifat
magnetik. Dalam bahan diamagnetik semua elektron dipasangkan sehingga tidak ada
magnet permanen saat bersih per atom. Sifat diamagnetik timbul dari penataan kembali
dari orbit elektron di bawah pengaruh medan magnet luar. Sebagian besar unsur dalam
tabel periodik, termasuk tembaga, perak, dan emas, adalah diamagnetik.
Diamagnetisme adalah sifat suatu benda untuk menciptakan suatu medan magnet
ketika dikenai medan magnet .Sifat ini menyebabkan efek tolak menolak. Diamagnetik
adalah salah satu bentuk magnet yang cukup lemah, dengan pengecualiansuperkonduktor
yang memiliki kekuatan magnet yang kuat.
Semua material menunjukkan peristiwa diamagnetik ketika berada dalam medan
magnet. Oleh karena itu, diamagnetik adalah peristiwa yang umum terjadi karena
Universitas Sumatera Utara
12
pasangan elektron , termasuk elektron inti di atom, selalu menghasilkan peristiwa
diamagnetik yang lemah. Namun demikian, kekuatan magnet material diamagnetik jauh
lebih lemah dibandingkan kekuatan magnet feromagnetikataupun paramagnetik. Material
yang disebut diamagnetik umumnya berupa benda yang disebut 'non-magnetik', termasuk
di antaranya air, kayu , senyawa organik seperti minyak bumi dan beberapa jenis plastik ,
serta beberapa logam seperti tembaga, merkuri ,emas dan bismut. Superkonduktor adalah
contoh diamagnetik sempurna.
Ciri-ciri dari bahan diamagnetik adalah:

Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya
adalah nol.

Jika solenoida dirnasukkan bahan ini, induksi magnetik yang timbul lebih kecil.

Contoh: Bismuth, tembaga, emas, perak, seng, garam dapur.
b. Paramagnetik
Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing
atom/molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh
atom/molekul dalam bahan nol (Halliday & Resnick, 1989). Hal ini disebabkan karena
gerakan atom/molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing
atom saling meniadakan. Bahan ini jika diberi medan magnet luar, maka elektronelektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya
searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik
spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Pada bahan ini, efek diamagnetik
(efek timbulnya medan magnet yang melawan medan magnet penyebabnya) dapat timbul,
tetapi pengaruhnya sangat kecil. Contoh bahan paramagnetik: alumunium, magnesium,
wolfram dan sebagainya. Bahan diamagnetik dan paramagnetik mempunyai sifat
kemagnetan yang lemah. Perubahan medan magnet dengan adanya bahan tersebut
tidaklah besar apabila digunakan sebagai pengisi kumparan toroida.
Bahan paramagnetik ada yang positif, kerentanan kecil untuk medan magnet..
Bahan-bahan ini sedikit tertarik oleh medan magnet dan materi yang tidak
mempertahankan sifat magnetik ketika bidang eksternal dihapus. sifat paramagnetik
adalah karena adanya beberapa elektron tidak berpasangan, dan dari penataan kembali
elektron orbit disebabkan oleh medan magnet eksternal. Bahan paramagnetik termasuk
magnesium, molybdenum, lithium, dan tantalum.
Paramagnetisme adalah suatu bentuk magnetisme yang hanya terjadi karena
adanya medan magnet eksternal. Material paramagnetik tertarik oleh medan magnet, dan
karenanya memiliki permeabilitas magnetis relatif lebih besar dari satu (atau, dengan kata
lain, suseptibilitas magnetik positif). Meskipun demikian, tidak seperti ferromagnet yang
Universitas Sumatera Utara
13
juga tertarik oleh medan magnet, paramagnet tidak mempertahankan magnetismenya
sewaktu medan magnet eksternal tak lagi diterapkan.
Ciri-ciri dari bahan paramagnetic adalah:

Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya
adalah tidak nol.

Jika solenoida dimasuki bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik yang lebih
besar.

Contoh: aluminium, magnesium, wolfram, platina, kayu
c. Ferromagnetik
Bahan ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan atomis besar
(Halliday & Resnick, 1989). Hal ini terutama disebabkan oleh momen magnetik spin
elektron. Pada bahan ferromagnetik banyak spin elektron yang tidak berpasangan,
misalnya pada atom besi terdapat empat buah spin elektron yang tidak berpasangan.
Masing-masing spin elektron yang tidak berpasangan ini akan memberikan medan
magnetik, sehingga total medan magnetik yang dihasilkan oleh suatu atom lebih besar.
Medan magnet dari masing-masing atom dalam bahan ferromagnetik sangat kuat,
sehingga interaksi diantara atom-atom tetangganya menyebabkan sebagian besar atom
akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok.
Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain.
Bahan feromagnetik sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen
magnetiknya kuat, tetapi momen magnetik ini mempunyai arah yang berbeda-beda dari
satu domain ke domain yang lain sehingga medan magnet yang dihasilkan tiap domain
saling meniadakan.
Bahan ferromagnetic menunjukkan daya tarik yang kuat untuk medan magnet dan
mampu mempertahankan sifat magnetik. Ferromagnetik memiliki elektron tidak
berpasangan sehingga atom memiliki momen magnet bersih.Mereka mendapatkan
magnet yang kuat sifat mereka karena keberadaan domain magnetik.Besi, nikel, dan
kobalt adalah contoh bahan feromagnetik.Komponen dengan materi-materi ini biasanya
diperiksa dengan menggunakan metode partikel magnetik.
Ferromagnetisme adalah sebuah fenomena dimana sebuah material dapat
mengalami magnetisasi secara spontan, dan merupakan satu dari bentuk kemagnetan yang
paling kuat.Fenomena inilah yang dapat menjelaskan kelakuan magnet yang kitajumpai
sehari-hari.Ferromagnetisme merupakan dasar untuk menjelaskan fenomena magnet
permanen.
Ciri-ciri bahan ferromagnetic adalah:

Bahan yang mempunyai resultan medan magnetis atomis besar.

Tetap bersifat magnetik → sangat baik sebagai magnet permanen.
Universitas Sumatera Utara
14

Jika solenoida diisi bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik sangat besar (bisa
ribuan kali).Permeabilitas bahan ini:
Contoh: besi, baja, besi silikon, nikel, kobalt.
2.2 Motor DC
2.2.1 Pengertian Motor DC
Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi
energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa,
fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motor listrik digunakan
juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala
disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor motor menggunakan
sekitar 70% beban listrik total di industri.
Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk
diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian
yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika
terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul
tegangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga
merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasa
tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator,
dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam
medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa
berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen seperti terlihat pada gambar 2.15.
Gambar 2.13Motor D.C Sederhana
Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh
komutator,dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan.Kumparan satu lilitan
pada gambardi atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk
komponen yangberputar di antara medan magnet.
2.2.2 Prinsip Dasar Cara Kerja
Universitas Sumatera Utara
15
Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah
medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor seperti terlihat pada
gambar 2.14.
Gambar 2.14 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor
Aturan Genggaman Tangan Kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks
disekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol mengarah
pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks.
menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karena
bentuk U seperti pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor
Catatan :
Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada
konduktor tersebut terlihat pada gambar 2.16.
Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo.
Gambar 2.16 Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub
Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub uatara dan
selatan yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet
kutub.
Gambar 2.17 Reaksi garis fluks
Universitas Sumatera Utara
16
Dari gambar 2.17 lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang
dilengkungkan (loopedconductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar
melalui ujung B.Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada
kutub danmenimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha
bergerakke atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan
arahjarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di
ataskonduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar dari medan
yang kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo berputar searah
jarumjam.
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum :

Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran / loop,
makakedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya
padaarah yang berlawanan.

Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar / torque untuk memutar kumparan.

Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan
tenagaputaran
yang
lebih
seragam
dan
medan
magnetnya
dihasilkan
oleh
susunanelektromagnetik yang disebut kumparan medan.
Pada motor dc, daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkanmedan
magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi darienergi
listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melaluimedan
magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempatuntuk
menyimpan energi, sekaligus sebagai tempat berlangsungnya proses perubahanenergi,
daerah tersebut dapat dilihat pada gambar 2.18di bawah ini :
Gambar 2.18 Prinsip kerja motor dc
Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna,
makategangan sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan
reaksilawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan
makamenimbulkan perputaran pada motor.Dalam memahami sebuah motor, penting
untuk mengerti apa yang dimaksud denganbeban motor. Beban dalam hal ini mengacu
kepada keluaran tenaga putar / torque sesuaidengan kecepatan yang diperlukan.
Untuk menentukan arah putaran motor digunakan kaedah Flamming tangan
kiri.Kutub-kutub magnet akan menghasilkan medan magnet dengan arah dari kutub utara
kekutub selatan. Jika medan magnet memotong sebuah kawat penghantar yang dialiri
Universitas Sumatera Utara
17
arussearah dengan empat jari, maka akan timbul gerak searah ibu jari. Gaya ini disebut
gayaLorentz, yang besarnya sama dengan F.
Prinsip motor : aliran arus di dalam penghantar yang berada di dalam pengaruh medan
magnet akan menghasilkan gerakan. Besarnya gaya pada penghantar akanbertambah
besar jika arus yang melalui penghantar bertambah besar.
2.2.3Mengatur Kecepatan pada Armature
Berdasarkana persamaan di bawah ini :
𝒏=
𝟔𝟎𝑬𝒔
𝒁𝝓
............................................................................................(2.9)
Jika flux Φ tetap dijaga konstan, dan kecepatannya berubah berdasarkan armature voltage
(Es). Dengan naiknya atau turunnya Es, kecepatan motor akan naik atau turun sesuai
dengan perbandingannya.
Dalam instalasi modern, generator sering digantikan dengan high-powerelectronic
converter yang mengubah ac power dari listrik ke dc.
Ward-Leonard sistem lebih dari sekadar cara sederhana dengan menerapkan suatuvariabel
dc ke armature dari motor dc. Hal tersebut benar-benar dapat memaksa motorutnuk
mengembangkan torsi dan kecepatan yang dibutuhkan oleh beban. Contohnya,misalkan
Es disesuaikan dengan sedikit lebih tinggi daripada Eodari motor. Arus akanmengalir
dengan arah sesuai dengan gambar di atas, dan motor mengembangkan torsiyang positif.
Armature dari motor menyerap power karena I mengalir ke terminal positif.
Sekarang, misalkan kita megurangi Es dengan mengurangi excitation ΦG.
Segerasetelah Es menjadi kurang dari Eo, arus I berbalik. Hasilnya, torsi motor berbalik
danarmature dari motor menghantarkan daya ke generator G. Akibatnya, motor dc
mendadakmenjadi generator dan generator G mendadak menjadi motor. Maka, dengan
mengurangiEs, motor tiba-tiba dipaksa untuk memperlambat.
Apa yang terjadi kepada power dc yg diterima oleh generator? Saat
generatormenerima daya listrik, generator beroperasi sebagai motor, mengendalikan
motor ac nyasendiri sebagai asynchrounous generator. Hasilnya, ac power memberikan
kembali kerangkaian yang biasanya memberikan motor ac. Kenyataannya daya bisa
diperolehkembali, cara ini membuat Ward-Leonard sistem menjadi sangat efisien.
2.2.4Mengatur Kecepatan dengan Field
Berdasarkan persamaan di atas kita juga dapat memvariasikan kecepatan motor dc dengan
memvariasikan field flux Φ. Tegangan armature Es tetap dijaga konstan agarnumerator
pada persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motorsekarang berubah
perbandingannnya ke flux Φ; jika kita menaikkan fluxnya, kecepatanakan jatuh, dan
sebaliknya.
Universitas Sumatera Utara
18
2.2.5Reaksi Jangkar
Terjadinya gaya torsi pada jangkar disebabkan oleh hasil interaksi dua garis
medanmagnet. Kutub magnet menghasilkan garis medan magnet dari utara-selatan
melewatijangkar. Interaksi kedua magnet berasal dari stator dengan magnet yang
dihasilkanjangkar mengakibarkan jangkar mendapatkan gaya torsi putar berlawanan arah
jarus jam.Karena medan utama dan medan jangkar terjadi bersama sama hal ini akan
menyebabkanperubahan arah medan utama dan akan mempengaruhi berpindahnya garis
netral yangmengakibatkan kecenderungan timbul bunga api pada saat komutasi.
Untuk itu biasanya pada motor DC dilengkapi dengan kutub bantu yang terlihat
sepertigambar 2.21dibawah ini
Gambar 2.21Kutub bantu (interpole) pada motor DC
Kutub bantu ini terletak tepat pada pertengahan antara kutub utara dan kutub selatan
danberada pada garis tengah teoritis. Lilitan penguat kutub ini dihubungkan seri
denganlilitan jangkar, hal ini disebabkan medan lintang tergantung pada arus jangkarnya.
Untukmengatasi reaksi jangkar pada mesin – mesin yang besar dilengkapi dengan
lilitankompensasi.Lilitan kompensasi itu dipasang pada alur – alur yang dibuat pada
sepatukutub dari kutub utama. Lilitan ini sepertijuga halnya dengan lilitan kutub
bantudihubungkan seri dengan lilitan jangkar. Arah arusnya berlawanan dengan arah
aruskawat jangkar yang berada dibawahnya.
2.2.6Konstruksi Motor Listrik Arus Searah
Secara umum konstruksi motor listrik arus searah dapat dibagi menjadi dua :
a. Stator (bagian yang diam)
b. Rotor (bagian yang berputar)
Untuk bagian yang diam (stator) dalam motor listrik arus searah terdiri atas badan
(body),inti kutub magnet dan sikat-sikat. Sedangkan untuk bagian rotornya adalah
komutator,jangkar dan lilitan jangkar. Seperti terlihat pada gambar 2.22 di bawah ini:
Universitas Sumatera Utara
19
a.
Motor listrik kutub duab. Motor listrik arus searah kutub empat
Gambar 2.22 Konstruksi motor arus searah
2.2.7
Bagian-bagian Motor dan Fungsinya
a. Badan Motor listrik
Fungsi utama dari badan motor adalah sebagai bagian tempat untukmengalirnya fluks
magnet yang dihasilkan kutub-kutub magnet, karena itu badanmotor dibuat dari bahan
ferromagnetik. Disamping itu badan motor ini berfungsiuntuk meletakkan alat-alat
tertentu dan melindungi bagian-bagian motor lainnya.
Pada badan motor terdapat papan nama (name plat) yang bertuliskanspesifikasi umum
atau data teknik dari motor. Papan nama tersebut untukmengetahui beberapa hal pokok
yang perlu diketahui dari motor tersebut. Selainpapan nama badan motor juga terdapat
kotak hubung yang merupakan tempatujung-ujung penguat magnet dan lilitan jangkar.
Ujung-ujung lilitan jangkar ini tidak langsung dari lilitan jangkar tetapimerupakan ujung
kawat penghubung lilitan jangkar yang melalui komutator dansikat-sikat. Dengan adanya
kotak hubung akan memudahkan dalam pergantiansusunan lilitan penguat magnet dan
memudahkan pemeriksaan kerusakan yangmungkin terjadi pada lilitan jangkar maupun
lilitan penguat tanpa membongkarmesin. Untuk mengetahui ujung-ujung lilitan tersebut,
setiap pabrik/negara mempunyai normalisasi huruf tertentu, yang mana hal tersebut dapat
dinyatakandalam tabel di bawah ini :
Tabel 2.1..........................................
b. Inti Kutub Magnet dan Lilitan Penguat Magnet
Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arussearah
dihasilkan oleh kutub-kutub magnet buatan yang dibuat prinsipelektromagnetis. Lilitan
penguat magnet berfungsi untuk mengalirkan arus listriksebagai terjadinya proses
elektromagnetis.
c. Sikat-sikat
Fungsi utama dari sikat-sikat adalah untuk jembatan bagi aliran arus darililitan jangkar
dengan sumber tegangan.Disamping itu sikat-sikat memegangperanan penting untuk
Universitas Sumatera Utara
20
terjadinya
komutasi.Agar
gesekan
antara
komutatorkomutatordan
sikat
tidak
mengakibatkan ausnya komutator, maka bahan sikat lebihlunak dari komutator.Biasanya
dibuat dari bahan arang (coal).
d. Komutator
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnyamempunyai dua
bagian yaitu :
i) Komutator bar merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutatordengan sikatsikat.
2) Komutator riser merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutatordengan
ujung dari lilitan jangkar.
Gambar 2.23Konstruksi sebuah komutator dari motor arus searah
Keterangan gambar 2.23:
a. Segmen komutator
b. Pemasangan komutator
c. Susunan komutator
i. Komutator bar
2. Riser
3. Isolator
4. Poros
5. Ring pengunci
6. Baut
Isolator yang digunakan yang terletak antara komutator yang satu dengankomutator yang
lain harus dipilih sesuai dengan kemampuan isolator tersebutterhadap suhu yang terjadi
dalam mesin.Jadi disamping sebagai isolator terhadap listrik, juga harus mampu
terhadapsuhu tertentu.Berdasarkan jenis isolator yang digunakan terhadap kemampuan
panas ini makapada mesin listrik dikenal :
a. Klas A : jika temperatur tinggi diijinkan 70°C (katun, sutera, kertas)
b. Klas B : jika temperatur tinggi diijinkan ii0°C (serat asbes, serat gelas)
c. Klas H : jika temperatur tinggi diijinkan i85°C (mika, gelas, porselin, keramik).
d. Jangkar (angker)
Universitas Sumatera Utara
21
Umumnya jangkar yang digunakan dalam motor arus searah adalahberbentuk selinder
dan diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkankumparan-kumparan
tempat terbentuknya GGL lawan.Seperti halnya pada inti kutub magnet, maka jangkar
dibuat dari bahanberlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena
adanya arus liar(Edy current).Bahan yang digunakan jangkar ini sejenis campuran baja
silikon.
Adapun konstruksinya dari jangkar tersebut dapat dilukiskan seperti
gambar2.24dibawah :
a. Jangkar beralur
b. Lempeng plat jangkar
Gambar 2.24Konstruksi jangkar
d. Lilitan jangkar (angker)
Lilitan jangkar pada motor arus searah berfungsi sebagai tempatterbentuknya GGL lawan.
Pada prinsipnya kumparan terdiri atas :
i) Sisi kumparan aktif, yaitu bagian sisi kumparan yang terdapat dalam alurjangkar yang
merupakan bagian yang aktif (terjadi GGL lawan sewaktu motorbekerja).
2) Kepala kumparan, yaitu bagian dari kumparan yang terletak di luar alur yangberfungsi
sebagai penghubung satu sisi kumparan aktif dengan sisi kumparanaktif lain dari
kumparan tersebut.
3)
Juluran,
yaitu
bagian
ujung
kumparan
yang
menghubungkan
sisi
aktif
dengankomutator. Terlihat pada gambar 2.25
Gambar 2.25Kumparan jangkar
2.2.11 Jenis-Jenis Motor Listrik Arus Searah
Berdasarkan sumber arus penguat magnetnya motor arus searah dapatdibedakan atas dua
jenis :
a. Motor dengan penguat terpisah
b. Motor penguat sendiri terdiri atas :
Universitas Sumatera Utara
22
i) Motor Seri
2) Motor Shunt
3) Motor kompon pendek
4) Motor kompon panjang
b. Motor Dengan Penguat Terpisah
Yang dimaksud dengan penguat terpisah adalah bila arus penguat magnetnyadiperoleh
dari sumber arus searah di luar motor.
Gambar 2.26 Motor penguat terpisahGambar 2.27 Rangkaian listrik motor
penguat terpisah
Persamaan arus dari gambar 2.26 dan 2.27:
Ia = I..............................................................................................(2.10)
𝐄
Im=𝐑𝐦..........................................................................................(2.11)
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + 27 e...................................................................(2.12)
dimana :
V : Tegangan jepit (volt)
Ea : GGL lawan (volt)
Ia: Arus jangkar (Ampere)
Ra : Tahanan lilitan jangkar (Ohm)
Im : Arus penguat terpisah(Ampere)
Rm: Tahanan penguat terpisah (Ohm)
e: Kerugian tegangan pada sikat-sikat (karena relatif kecil biasanya harga
tersebut diabaikan).
b. Motor Penguat Sendiri
Motor dengan penguat sendiri dapat dibagi menjadi :
1) Motor Seri, motor penguat sendiri di mana lilitan penguat magnetnyadihubungan seri
dengan lilitan jangkar.
Universitas Sumatera Utara
23
Gambar 2.28Motor seri
Gambar 2.29 Rangkaian Listrik Motor Seri
Persamaan arus dari gambar 2.28 dan 2.29 :
I = Ia = Is.......................................................................................(2.13)
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs + 27e........................................................(2.14)
Dimana :
Is :Arus penguat seri yang besarnya sama dengan arus sumber
Rs :Tahanan lilitan penguat seri
2) Motor shunt, motor penguat sendiri di mana lilitan penguatmagnetnya dihubungkan
paralel dengan lilitan jangkar ataudihubungkan langsungdengan sumber tegangan dari
luar.
Gambar 2.30Motor shunt
Gambar 2.31Rangkaian listrik motor shunt
Persamaan arus dari gambar 2.30 dan 2.31:
I = Ia + Ish...........................................................................................(2.15)
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + 27 e........................................................................(2.16)
V = Ish . Rsh........................................................................................(2.17)
dimana :
Rsh : Tahanan penguat shunt
Ish : Arus penguat shunt
3) Motor kompon pendek, motor penguat sendiri yang mempunyai dua lilitanpenguat
magnet yaitu lilitan shunt dan seri, dimana lilitan seri terletak padarangkaian sumber
tegangan.
Gambar 2.32Motor kompon pendek
Gambar 2.33Rangkaian Listrik
Persamaan Arus dari gambar 2.32 dan 2.33 :
Universitas Sumatera Utara
24
I = Is = Ia + Ish.....................................................................................(2.18)
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs + 27 e..............................................................(2.19)
Vsh = V – Is.Rs......................................................................................(2.20)
Dimana :
Vsh :Tegangan pada lilitan penguat shunt
4) Motor kompon panjang, motor penguat sendiri yang mempunyai dua buahlilitan
penguat seri dan shunt, dimana lilitan penguat seri dihubung seridengan lilitan jangkar.
Gambar 2.34Motor kompon panjangGambar 2.35Rangkaian listrik motor
kompon panjang
Persamaan arus dari gambar 2.34 dan 2.35:
I = Is + Ish................................................................................................(2.21)
Is = Ia........................................................................................................(2.22)
𝑽
Ish𝑹𝒔𝒉........................................................................................................(2.23)
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs...............................................................................(2.24)
Vsh = V........................................................................................................(2.25)
2.2.12 Karakteristik Motor Listrik Arus Searah (DC)
Pada motor listrik arus searah dikenal 3 macam karakteristik yaitu :
a. Karakteristik Ta = f (Ia) untuk V = tetap
b. Karateristik n = f (Ia) untuk V =tetap
c. Karakteristik n = f(Ta) untuk V = tetap
2.3 Generator Arus Searah
2.3.1Prinsip Kerja Generator Arus Searah
berdasarkan hukum Faraday:
𝒆 = −𝒏
𝒅𝝓
𝒅𝒕
.................................................................................. (2.26)
dimana :
N : jumlah lilitan
𝜙: fluksi magnet
e: Tegangan imbas, ggl(gaya gerak listrik)
Universitas Sumatera Utara
25
Fluks yang menembus konduktor jangkar pada keadaan generator takberbeban
merupakan fluks utama.Jika generator dibebani, timbullah arusjangkar.Adanya arus
jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada konduktortersebut. Dengan mengnggap
tidak ada arus medan yang mengalir dalamkumparan medan, fluks ini seperti
digambarkan pada gambar dibawah ini. Fluks yangditimbulkan arus jangkar dengan fluks
utamanya saling memperkecil, sehinggafluks yang terjadi disini menjadi berkurang.
Kemudian fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar dengan fluksutamanya saling
memperkuat, sehingga fluks yang terjadi disini bertambah. Flukstotal saat generator
dalam keadaan berbeban adalah penjumlahan vector keduafluks. Pengaruh adanya
interaksi ini disebut reaksi jangkar.Interaksi kedua flukstersebut dapat dilihat pada
gambar dibawah ini. Karena operasi suatu generatorarus searah selalu pada daerah jenuh,
pengurangan suatu fluks pada konduktordibandingkan dengan pertambahan fluks pada
konduktor lain lebih besar.
Gambar 2.36Prinsip kerja Generator DC
Pada gambar 2.36 untuk memberi tenaga pada suatu beban kadang-kadang diperlukan
kerja paralel dari dua atau lebih generator. Pada penggunaan beberapa buah mesin perlu
dihindari terjadinya beban lebih pada salah satu mesin.Kerja pararelgenerator juga
diperlukan untuk meningkatkan efisiensi yang besar padaperusahaan listrik umum yang
senantiasa memerlukan tegangan yang konstan. Dengan kata lain, apabila suatu
konduktor memotong garis-garis fluksimagnetik yang berubah-ubah, maka ggl akan
dibangkitkan dalam konduktor itu.Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan ggl adalah :
- harus ada konduktor ( hantaran kawat )
- harus ada medan magnetik
- harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada
Fluks yang berubah yang memotong konduktor itu.
Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak balik, meskipun tujuanutamanya adalah
pemabngkitan tegangan searah, tampak bahwa tegangan kecepatan yang dibangkitkan
pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolak-balik.Bentuk gelombang yng
berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan.Untuk mendapatkan arus searah dari
arus bolak balik dengan menggunakan :
Universitas Sumatera Utara
26
- saklar
- komutator
- diode
2.3.2 Sistem Saklar
Saklar berfungsi untuk menghubung-singkatkan ujung-ujung kumparan.
Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :
Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul tegangan
yang sinusoida. Bila setengan periode tegangan positif saklar dihubungkan, maka
tegangan menjadi nol. Dan bila sakalar dibuka lagi akantimbul lagi tegangan. Begitu
seterusnya setiap setengah periode tegangan saklardihubungkan, maka akan di hasilkan
tegangan searah ataupungelombang penuh.
2.3.3 Sistem Komutator
Komutator
berfungsi
sebagai
saklar,
yaitu
untuk
menghubung
singkatkankumparanjangkar.Komutator berupa cincin belah yang dipasang pada
ujungkumparan jangkar.Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikutberputar.
Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangn bolak balik
sinusoidal.Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah
cincinsehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah
akanterbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila perioda tegangan sama dengan
periodaperputaran cincin, tegangan yang timbul adalah tegangan arus searah
gelombangpenuh seperti pada gambar 2.44
Gambar 2.37 Efek Komutasi
2.3.4 Sistem Dioda
Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:
- Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus.
- Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus.
Berdasarkan bentuk gelombang yang dihasilkan, dioda dibagi dalam:
- Half wave rectifier (penyearah setengah gelombang)
- Full wave rectifier (penyearah satu gelombang penuh)
Universitas Sumatera Utara
27
2.3.5 Karakteristik Generator Arus Searah
Medan magnet pada generator dapat dibangkitkan dengan dua cara yaitu :
- dengan magnet permanen
- dengan magnet remanen.
Pada generator arus searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :
𝑬𝒂 =
𝝓𝒛𝒏𝒑
𝟔𝟎 𝒂
𝒗𝒐𝒍𝒕.......................................................................(2.27)
Dimana:
Ea = ggl yang dibangkitkan pada jangkar generator
𝜙= fluks per kutub
z = jumlah penghantar total
n = kecepatan putar
a = jumlah hubungan pararel
Bila zP/60a = c(konstanta), maka :
𝑬𝒂 = 𝒄𝒏𝝓 𝒗𝒐𝒍𝒕.................................................................................(2.28)
Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generatorarus searah
dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu:
1. Generator Berpenguatan Bebas
Generator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitanmedannya dapat
dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidaktergantung dari mesin.Tegangan
searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyaitahanan Rf akan jadi
dan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada keduakutub. Tegangan induksi
akandibangkitkan pada generator.Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra
adalah tahanan dalamgenerator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:
Vf= If Rf
Ea = Vt+ Ia Ra
Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :
- Tegangan jepit (V)
- Arus eksitasi (penguatan)
- Arus jangkar (Ia)
- Kecepatan putar (n)
Universitas Sumatera Utara
28
2. Generator Berpenguatan Sendiri
(a)
Generator Searah Seri
Vt = IaRa..........................................................................................(2.29)
Ea = Ia (Ra + Rf) + Vt + <Vsi..............................................................(2.30)
(b)
Generator Shunt
Vt = If Rf.........................................................................................(2.31)
Ea = IaRa + Vt + <Vsi......................................................................(2.32)
Pada generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan :
- Adanya sisa magnetik pada sistem penguat
- Hubungan dari rangkaian medan pada jangkar harus sedemikian, hinggaarah medan
yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada.
-Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya kalau sisa magnetik tidak ada.
Misal: pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetikadalah pada
generator shunt dirubah menjadi generator berpenguatanbebas atau pada generator
dipasang pada sumber arus searah, dandijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas
sikat-sikat dan perputarannominal.
- Hubungan medan terbalik, karena generator diputar oleh arah yang salah dan
dijalanksalahan, sehinggap-0arus medan tidak memperbesar nilai fluksi. Untuk
memperbaikinya denganhubungan-hubungan perlu diubah dan diberi kembali sisa
magnetik, seperti carauntuk memberikan sisa magnetik.
- Tahanan rangkaian penguat terlalu besar.
Universitas Sumatera Utara
29
Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan, hinggaRf tidak
berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau komutator kotor.
3. Generator kompon
Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generatorseri, yang
dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yangdimiliki merupakan
gabungan dari keduanya. Generator kompon bias dihubungkan sebagai kompon pendek
atau dalam kompon panjang. Perbedaandari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena
tahanan kumparan serikecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari dari
teganganterminal kecil sekali dan terpengaruh.Biasanya kumparan seri dihubungkan
sedemikian rupa, sehingga kumparanseri ini membantu kumparan shunt, yakni MMF nya
searah. Bila generator inidihubungkan seperti itu, maka dikatakan generator itu
mempunyai kumparankompon bantu.Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan
medan shunt disebut komponlawan dan ini biasanya digunakan untuk motor atau
generator-generatorkhusus seperti untuk mesin las. Dalam hubungan kompon bantu
yangmempunyai peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan seridirancang untuk
kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangandrop di jangkar pada range
beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan
generator akan diatur secara otomatis pasa satu range beban tertentu.
(a)
Kompon panjang
Ia = If1 = IL + If2..........................................................................(2.33)
Ea = Vt + Ia(Ra + Rf1) + <Vsi......................................................(2.34)
Universitas Sumatera Utara