induksi elektromagnetik
advertisement
INDUKSI ELEKTROMAGNETIK Pada pembahasan tentang Medan Magnet kita telah mengetahui bahwa Arus listrik dapat menimbulkan Medan Magnet. Sedang Arus listrik adalah Muatan yang bergerak. Disekitar muatan ada Medan Listrik. Jika muatan bergerak maka medan listrik yang dihasilkan akan berubah, maka dapat dikatakan bahwa Perubahan Medan listrik dapat5 menimbulkan medan magnet. Melihat kenyataan ini Faraday menyatakan sebuah hipotesanya dengan pernyataannya : Jika perubahan medan listrik dapat menimbulkan medan magnet, maka Perubahan medan magnet juga akan menimbulkan medan listrik. Fluks Magnetik : () Banyaknya garis gaya magnet yang menembus tegak lurus pada satu satuan luas bidang . B B = Kuat Medan Magnet ( Wb/m2) = B. A A = Luas penampang (m2) A = Fluks Magnetik (Wb) Jika medan magnetik dengan bidang membentuk sudut tertentu, maka akan berlaku : Besarnya Fluks Magnetik adalah : Bidang sebenarnya = B.A. Cos B = Besarnya Kuat medna magnet ( Wb.m-2) A = Luas penampang (m2) Bidang normal = Sudut antara bidang sesungguhnya dengan bidang normal Bidang normal adalah bidang hayal yang selalu tegak lurus terhadap garis gaya magnet. Kemudian Faraday menguji dengan mempengaruhi sebuah kumparan dengan magnet yang digerakkan disekitar kumparan yang dihubungkan dengan Amperemeter, sehingga terjadi perubahan kuat medan magnet yang menembus bidang kumparan ( terjadi perubahan fluks magnetik ), seperti gambar di samping : S U hasilnya ternyata jarum pada Amperemeter bergerak. Ini menunjukkan bahwa ada arus listrik pada kumparan. Adanya arus listrik ini menunjukkan bahwa ada muatan yang bergerak di dalam kumparan, sehingga dikatakan ada medan listrik. Dengan demikian Hipotesa Faraday terbukti. Peristiwa terjadinya arus listrik pada penghantar / kumparan karena dipengaruhi oleh perubahan fluks magnetik disebut dengan “Induksi elektromagnetik” Arus listrik yang terjadi pada penghantar akibat perubahan flukmagnetik disebut dengan Arus Listrik Induksi. Beda Potensial antara ujung-ujung penghantar disebut dengan GGL Induksi (Gaya Gerak Listrik Induksi). Arah Arus Induksi dinyatakan berdasarkan Hukum Lenz yang menyatakan : Arah Arus Induksi pada penghantar sedemikian rupa sehingga dapat menimbulkan sesuatu yang melawan penyebabnya. Jika penyebab Arus Induksi tersebut Medan Magnet / Magnet, maka pada penghantar / kumparan harus dapat menghasilkan Medan magnet yang melawan medan magnet penyebabnya, yaitu : 1. Jika penyebabnya kutub Utara Magnet Mendekat maka Pada ujung penghantar / kumparan timbul kutub Utara . ( gb. 1) 2. Jika penyebabnya kutub Utara Magnet Menjauhi maka Pada ujung penghantar / kumparan timbul kutub Selatan. (gb.2) 3. Jika penyebabnya kutub Selatan Magnet Mendekat maka Pada ujung penghantar / kumparan timbul kutub Selatan. (gb.3) 1 4. Jika penyebabnya kutub Selatan Magnet Menjauhi maka Pada ujung penghantar / kumparan timbul kutub Utara. (gb.4 ) S U S U U S U S U I I I U S S G Gb.2 G Gb.1 I G Gb.3 G Gb.4 Jika penyebab timbulnya Medan Magnet adalah Gaya, maka pada penghantar akan timbul Gaya yang melawannya yang besarnya sama dan arahnya berlawanan, yaitu Pada gambar di bawah akibat Gaya Mekanis F, timbul Gaya Lorentz FL yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. GGL Induksi Pada Kumparan, dinyatakan menurut Hukum Faraday : GGL Induksi yang terjadi pada kumparan sebanding dengan cepat perubahan Fluks Magnetik melingkupinya = GGL Induksi ( volt) N = Jumlah lilitan kumparan Dirumuskan : N t Atau N d = cepat perubahan fluks magnetik ( Wb/s) dt d dt Tanda ( - ) = Kesesuaian dengan Hukum Lenz = 2 – 1 t = t2 – t1 Juga berlaku, bahwa : Besarnya GGL Induksi Pada penghantar yang bergerak dalam Medan Magnet dinyatakan : A FLi x I x x x Ii x xF L x x x x x x x B A1 v x x xF x x x x x mek S B1 Keterangan : - Saat penghantar AB digerakkan oleh gaya mekanis Fmek, maka muatan + dalam penghantar seolah olah bergerak dari kiri ke kanan, sehingga seolah olah ada arus listrik induksi (Ii), akibatnya Muatan + tersebut seolah olah akan mendapatkan gaya Lorentz elementer (FLi). - Akibat gaya Lorentz elementer ini, muatan + benar benar bergerak di dalam penghantar dari bawah ke atas, sehingga mengalirlah arus listrik induksi (I) di dalam penghantar. - Akibatnya penghantar berarus listrik yang berada di dalam medan magnet akan mendapat gaya Lorentz (FL) yang arahnya ke kiri, melawan gaya mekanis penyebab gerakkan kawat penghantar. - Pada keadaan ini terjadi perubahan Energi mekanis (akibat gaya Mekanis) menjadi Energi listrik ( akibat adanya arus listrik dalam penghantar), dimana : Wmek = Fmek. S Dan W listrik = .I.t - B.I.l .S = .I.t dengan Fmek = - FL = - B.I.l Sehingga berlaku : Wmek = W listrik dengan S/t = v, maka diperoleh = GGL Induksi ( Volt) = – B.l.v B = Kuat medan Magnet ( Tesla) l = Panjang Kawat Penghantar (m ) v = Kecepatan gerak kawat ( m/s) 2 GGL Induksi Diri : GGL Induksi yang terjadi karena perubahan fluks magnetik pada kumparan akibat perubahan arus listrik mempengaruhi kumparan itu sendiri sehingga ujung ujung kumparan timbul beda potensial. Keterangan : Kumparan II 1. Saat saklar tertutup arus listrik mengalir lewat kumparan besarnya konstan sehingga fluks magnetik yang terjadi juga konstan. Ii neon 2. Sesaat, saat arus listrik terhubung dan terlepas, terjadi perubahan arus listrik dari tidak ada S menjadi ada dan dari ada menjadi tidak ada, sehingga sesaat itu terjadi perubahan fluks V magnetik disekitar kumparan. 3. Perubahan fluks magnetik ini mempengaruhi kumparan itu lagi sehingga timbul GGL pada ujung ujung kumparan yang disebut dengan GGL Induksi Diri. Besarnya GGL Induksi Diri sebanding dengan cepat perubahan arus listrik, dirumuskan : i L i t i L di dt di = cepat perubahan kuat arus listrik ( Ampere/sekon ) dt L = Konstanta pembanding yang disebut dengan Induktansi Diri sering disebut Induktansi dengan satuan Henry ( H ) atau : i = GGL Induksi diri GGL Induksi diri tidak lain adalah GGL Induksi Induktansi Diri pada Kumparan / Solenoida dan Toroida : Dari persamaan : N d dt dan i L di dt dengan = I Maka diperoleh nilai Induktansi diri kumparan dan toroida : = fluks magnetik ( Wb ). N = Jumlah lilitan I = Kuat Arus listrik ( Ampere ) L = Induktansi Kumparan / toroida ( Henry ) L N. I Dengan mengganti nilai = B.A dan B 0 .I.N diperoleh persamaan Induktansi kumparan atau l toroida : L A = Luas penampang ( m2 ) N = Jumlah lilitan l = panjang penghantar ( m ) 0 . A.N 2 l Energi Induktor : Karena Induktor dapat menghasilkan GGL Induksi maka Induktor memiliki energi, yang dapat diturunkan dari energi listrik : dW = .I.dt dengan i L di dt maka diperoleh : di .I .dt dt dW L.I .dI dW L I .dI dW L W = ½. L.I 2 L = Induktansi ( H ) I = Kuat arus listrik ( A ) W = Energi Induktor ( Joulle ) 3 Latihan soal : 1. Sebuah bidang seluas 40 cm2 berada dalam daerah medan magnetik homogen dengan induksi magnetik 8 x 10-4 T. Jika sudut antara arah normal bidang dengan medan magnetik adalah 600 , maka fluks magnetik nya …. a. 31 x 10-7 Wb c. 6,4 x 10-7 Wb e. 1,6 x 10-7 Wb -7 -7 b. 16 x 10 Wb d. 3,2 x 10 Wb 2. Poros roda sebuah kereta panjangnya 1,5 m dan poros ini memotong komponen vertikal medan magnetik bumi dengan rapat fluks 4 x 10-5 T. Ketika poros ini bergerak ke arah utara pada kelajuan 10 m/s, GGL yang dibangkitkan diantara ujung-ujung poros adalah …. a. 0,60 mV b. 0,27 mV c. 0,06 mV d. 0,0027 mV e. 0,00006 V 3. Sepotong kawat penghantar yang panjangnya l digerakkan memotong tegak lurus suatu medan magnetik B, sehingga menimbulkan GGL induksi E. Jika kecepatan gerak kawat dinaikkan 2 kali semula dengan arah tetap dan panjang kawat diubah menjadi ¼ nya, maka GGL induksinya menjadi …. a. 0,25.E b. 0,50.E c. 2.E d. 3.E e. 4.E 4. Kawat ab dengan panjang 1,5 m di taruh dalam medan magnetik 0,5 T dengan arah masuk bidang kertas. Ternyata ujung-ujung kawat timbul GGL 3 volt dengan potensial a lebih tinggi dari b. Besar dan arah kecepatan gerak kawat ab adalah …. a a. 4 m/s ke kanan x x x x x x x b. 4 m/s ke kiri c. 2 m/s ke kiri x x x x x x x d. 2 m/s ke kanan e. 1 m/s ke kiri x x x x x x x b 5. Perhatikan gambar di bawah. RS digerakkan dengan kecepatan 2 m/s memotong medan magnet B = 2 T. Panjang RS = 40 cm dan hambatan loop ( PQRS ) = 1,6 ohm. Jika arah v diberi tanda positif dan sebaliknya negatif, maka Gaya Lorentz pada penghantar RS …. a. 8 N S B P b. 0,8 N v c. – 0,8 N d. – 8 N e. – 80 N Q R 6. Suatu kawat melingkar dengan hambatan 6 ohm diletakkan dalam fluks magnetik yang berubah terhadap waktu, dinyatakan dengan = ( t + 4 )3. dengan dalam Wb, dan t dalam sekon. Arus yang mengalir dalam kawat pada t = 4 sekon adalah …. a. 4 A b. 8 A c. 16 A d. 32 A e. 64 A 7. Sebuah kumparan kawat berbentuk lingkaran dengan diameter 6 cm dan terdiri atas 3.000 lilitan. Kumparan diletakkan tegak lurus dalam suatu medan magnet . Jika rapat fluks magnetik kumparan berubah dari 0,5 menjadi 1,7 WB.m-2 dalam waktu 3,14 menit, maka GGL rata-rata yang diinduksikan dalam kumparan tersebut adalah ….. ( = 3,14 ) a. 27 mV b. 45 mV c. 54 mV d. 60 mV e. 2,7 mV 8. Dua kumparan tipis X dan Y jari-jarinya 5 cm dan 10 cm dan masing-masing mempunyai 16 dan 4 lilitan. Keduanya berada dalam medan magnetik serba sama. Jika induksi magnetik B bertambah dengan kecepatan tetap, maka perbandingan GGL X dan Y adalah …. a. 5 : 1 b. 4 : 1 c. 2 : 1 d. 1 : 1 e. 1 : 2 9. Kuat arus listrik dalam suatu rangkaian tiba-tiba turun dari 10 A menjadi 2 A dalam waktu 0,1 detik. Selama peristiwa ini terjadi, timbul GGL induksi sebesar 32 volt dalam rangkaian. Induktansi rangkaian ini adalah …. a. 0,32 H b. 0,40 H c. 2,5 H d. 32 H e. 40 H 10. Sebuah solenoida dengan panjang 6,28 cm dan luas penampang 5 cm2 terdiri atas 300 lilitan. Jika solenoida dialiri arus 2 A, maka energi yang tersimpan sebesar ….. a. 0,9 x 10-3 J b. 1,8 x 10-3 J c. 9 x 10-4 J d. 4,5 x 10-4 J e. 3 x 10-4 J 4 11. Di bawah ini faktor yang mempengaruhi besarnya induktansi kumparan adalah : 1. Kuat arus listrik 2. Jumlah lilitan 3. Luas penampang 4. Tegangan listrik 5. Fluks magnetik 6. Panjang lilitan Faktor yang benar adalah …. a. 1, 2, dan 4 c. 2, 3, dan 6 e. 4, 5, dan 6 b. 2, 4, dan 6 d. 1, 3, dan 5 12. Suatu kumparan panjang l dengan luas penampang A, dan jumlah lilitannya N. Agar induktansi pada kumparan menjadi 2 kalinya yang dapat dilakukan adalah …. a. Mengubah panjang kumparan menjadi 2 kali b. Mengubah jumlah lilitan menjadi setengahnya c. Mengubah luas penampang menjadi setengahnya d. Mengubah panjang kumparan menjadi setengahnya e. Mengubah luasnya menjadi 4 kalinya 13. Sebuah kumparan dialiri arus listrik yang besarnya berubah menurut persamaan I = 4.t 2 + 6.t , dengan t dalam sekon dan I dalam Ampere. Jika induktansi kumparan 400 mH, saat t = 2 sekon, GGL yang dihasilkan adalah …. a. 88 V b. 8,8 V c. 0,88 V d. 0,088 V e. 8,8 mV 14. Jika jumlah lilitan kumparan dijadikan 2 kalinya, maka induktansi kumparan tersebut menjadi …. a. 4 kali b. 2 kali c. tetap d. ½ kali e. ¼ kali 15. Jika arus listrik yang mengalir melewati kumparan dijadikan 4 kalinya, maka induktansi kumparan menjadi …. a. 4 kali b. 2 kali c. tetap d. ½ kali e. ¼ kali ***** Semoga Berhasil ***** 5 TRANSFORMATOR (TRAFO) Trasformator / Trafo adalah susunan dua atau lebih kumparan yang berada dalam satu tempat, yang tidak saling berhubungan. Kumparan Primer (Np) Kumparan Sekunder (Ns) p s Ip Is Inti Trafo Keterangan : p = GGL Kumparan Primer s = GGL Kumparan Sekunder Ip = Kuat Arus pada Kumparan Primer Is = Kuat Arus pada Kumparan Sekunder Prinsip Kerja Trafo : 1. Akibat kumparan primer dihubungkan dengan tegangan bolak-balik (AC) (sebagai tegangan primernya), maka pada kumparan primer dihasilkan fluks magnetik yang besarnya berubah-ubah. 2. Perubahan fluks magnetik yang dihasilkan oleh kumparan primer mempengaruhi kumparan sekunder (kumparan sekunder mendapatkan fluks magnetik yang berubah-ubah), akibatnya pada kumparan sekunder timbul GGL / Tegangan sekunder. 3. Pada persitiwa ini seolah-olah ada perpindahan energi tiap satuan waktu (Daya) dari kumparan primer ke kumparan sekunder. 4. Inti Trafo terbuat dari beri yang berlapis, yang berfungsi untuk memperkuat fluks magentik yang dihasilkan. Inti Trafo dibuat berupa lapisan tipis besi untuk mengurangi energy yang hilang dalam bentuk “Arus Eddy” Jenis Trafo : 1. Trafo Step Up Berfungsi untuk menaikkan tegangan bolak-balik Cirinya Jumlah lilitan Primer < Jumlah lilitan Sekunder Np 2. Trafo Step Down Berfungsi untuk menurunkan tegangan bolak-balik Cirinya Jumlah lilitan Primer > Jumlah lilitan Sekunder Ns Np Ns Pada Trafo Ideal, berlaku : Daya Primer = Daya Sekunder Secara matematis : Pp = Ps hasilnya p.Ip = s.Is atau Vp.Ip = Vs.Is 6 Atau sering dituliskan : ………………. 1 p : s = I s : Ip Menurut prinsip perpindahan GLL induksi berlaku : Pada kumparan Primer : Pada kumparan Sekunder : d d p Np s Ns dt dt Jika dibandingkan : d d p : s Np : Ns dt dt Hasilnya : p : s Np : Ns ………………….. 2 Effisiensi Trafo Dalam pemakaian trafo sehari-hari tidak ada trafo yang ideal. Ada sebagian energy / daya yang hilang selama perpindahan energy dari kumparan Primer ke kumparan Sekunder, akibatnya muncul istilah “Effisiensi Trafo” “”, dimana berlaku : Effisiensi Trafo Daya Sekunder x100 % Daya Pr imer Secara matematis dituliskan : Ps x100 % Pp atau s .I s x100 % p .I p Pp = Daya Primer / Daya In (masuk) Ps = Daya Sekunder / Daya Out (keluar) Soal : 1. Sebuah trafo memiliki lilitan primer sebanyak 2000 lilitan dan lilitan sekunder sebanyak 1200 lilitan. Jika kumparan primer dihubungkan dengan tegangan 200 volt, tentukan : a. Tegangan sekunder yang dihasilkan ! b. Jika arus pada kumparan sekunder 1,6 Ampere, berapa arus pada kumparan primer ? 2. Sebuah trafo memiliki daya primer 750 watt, dihubungkan dengan rangkain elektronika yang memiliki spesifikasi 220 V, 2 A dan rangkain normal. Berapakah effisiensi dari trafo tersebut ? 3. Sebuah trafo dengan effisiensi 80 % memiliki kumparan primer dan sekunder masing-masing 1500 lilitan dan 1000 lilitan. Jika tegangan sekunder yang dihasilkan 50 volt, dan arus sekunder 0,5 A, tentukan : a. Tegangan primer ! b. Arus primer ! 7
