1. Kumparan Induks

1
LAPORAN
PRAKTIKUM LISTRIK MAGNET
Praktikum Ke 1
KUMPARAN INDUKSI
A.
TUJUAN
1. Mempelajari watak kumparan jika dialiri arus listrik searah (DC).
2. Mempelajari watak kumparan jika dialiri arus listrik bolak-balik (AC).
3. Menentukan resistansi kumparan dengan Wheatstone Bridge.
4. Menentukan induktansi diri suatu kumparan.
5. Menentukan reaktansi induktif dari sebuah kumparan.
B.
DASAR TEORI
Bila fluks magnetik jatuh pada suatu penghantar berbentuk kumparan,
maka dalam penghantar akan timbul gaya gerak listrik yang disebut gaya gerak
listrik induksi atau imbas. Perubahan fluks magnetik pada kumparan dapat
diperleh dengan cara menggerakkan magnet pada kumparan, sedangkan
kumparan atau kawat dalam keadaan diam. Atau sebaliknya kumparan atau
kawat yang bergerak, sedangkan magnet tetap diam.
Jika suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik DC, maka dia
berperilaku seperti magnet batang. Dalam rangkaian tertutup dengan sumber
tegangan DC, nilai resistansi dari induktor hanyalah resistansi ohmik.
1. Bagaimana penjelasanmu tentang watak magnet kumparan ini?
Jika suatu kumparan dihubungkan
dengan sumber arus DC, maka dalam
rangkaian tertutup kumparan tersebut dapat
berprilaku seperti magnet batang, yang
sifatnya adalah sementara, hanya jika ada
arus yang lewat pada kumparan.
Gambar 1. Kumparan dialiri arus DC
2
Berdasarkan hukumnya Biot Savart, kawat lurus panjang dialiri arus
listrik maka akan timbul induksi magnet di sekitar kawat tersebut. Kalau
kawat lurus tersebut kita buat kumparan (Solenoid) bagaimana arah medan
magnetnya? Kita lihat pada gambar berikut.
Gambar 2. Arah arus kumparan dan arah garis gaya magnet.
Pada kumparan di atas arus dari atas keluar bidang menuju ke
bawah masuk bidang. Sesuai dengan kaidah tangan kanan maka arah medan
magnet mengumpul menjadi satu menuju ke arah kanan. Hal inilah yang
menyebabkan kumparan bila dialiri arus DC seperti magnet batang.
2. Bagaimana cara menentukan kutub-kutub magnet kumparan?
Pada magnet batang arah medan magnet di luar batang dari kutup
utara ke selatan, kalau di dalam batang dari selatan ke utara. Dari gambar di
atas arah medan magnet di dalam kumparan, sehingga kutup utara
kumparan sebelah kanan dan kutup selatan sebelah kiri. Atau metode yang
lain menentukan kutub-kutub magnet kumparan, diuji dengan mendekatkan
magnet batang yang telah di ketahui kutub-kutubnya. Dengan prinsip untuk
kutup sejenis tolak-menolak, kutub tak sejenis tarik-menatik.
3. Bagaimana arah garis gaya magnet yang dibangkitkan oleh kumparan yang
dialiri listrik DC?
Arah garis gaya yang magnet yang dibangkitkan oleh kumparan
yang dialiri listrik DC, tergantung arah aliran arus DC yang mengalir.
Sebagai contoh pada gambar 2 tersebut, tetap menggunakan kaidah tangan
kanan yaitu ibu jari arah arus, empat jari yang lain arah medan magnet.
3
Maka pada gambar 2 arah medannya terpusat di dalam kumparan ke arah
kanan. Kalau di luar kumparan pada gambar 2 dari kanan ke kiri. Sama
halnya dengan arah garis gaya magnet pada magnet batang, di luar magnet
batang dari kutub utara ke selatan, di dalam magnet batang dari selatan ke
utara arah garis gaya magnetnya.
4. Faktor apa saja yang mempengaruhi besarnya kuat medan magnet yang
dibangkitkan oleh kumparan yang dialiri listrik DC?
Kita tinjau secara rumusan besar medan magnet kumparan:
Medan magnet di tengah kumparan : B   0 n i
Medan magnet di ujung kumparan : B 
0 n i
2
Dari kedua rumusan di atas tampak bahwa faktor yang mempengaruhi
besarnya kuat medan magnet yang dibangkitkan oleh kumparan yang dialiri
listrik DC adalah:
a. Jumlah lilitan (n)
b. Besar kuat arus yang mengalir (i)
5. Faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi nilai resistansi ohmik dari
kumparan/penghantar?
Kita tinjau rumus R  
l
untuk kawat lurus (penghantar), bila lilitan
A
maka akan ada pengaruh dengan banyak lilitan. Maka di dapat faktor yang
mempengaruhi hambatan ohmik:
a. Hambatan jenis kawat yang digunakan sebagai kumparan ()
b. Panjang kawat (l) yang ada hubungannya dengan Jumlah lilitan (n)
c. Luas penampang kawat yang digunakan sebagai kumparan (A)
4
Jika suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik AC. maka,
yang berpengaruh pada rangkaian tersebut tidak hanya hambatan ohmik tetapi
juga hambatan yang muncul dari kumparan (reaktansi induktif). Nilai reaktansi
induktif bergantung pada besarnya induksi diri kumparan. Reaktansi
induktor/kumparan, banyak difungsikan pada rangkaian-rangkaian elektronik.
6. Apakah kumparan yang dialiri listrik AC juga berwatak sebagai magnet
batang? Jelaskan!
Jika kumparan dialiri listrik AC tidak berwatak sebagai magnet
batang, karena arus listrik AC bersifat bolak-balik, setengah siklus pertama
positif, setengah siklus berikutnya negatif, begitu seterusnya. Hal ini dapat
mempengaruhi arah medan magnet yang di timbulkan oleh kumparan
berubah-ubah sangat cepat yang dapat mengakibatkan hambatan dalam
kumparan (reaktansi induktif) disamping itu juga muncul hambatan ohmik.
7. Apa reaktansi induktif itu? '
Reaktansi/hambatan yang muncul pada suatu induktor apabila
induktor tersebut di aliri arus AC. Karena isyarat AC sesekali positif,
sesekali negatif (berubah-ubah fasenya), menyebabkan perubahan fluks
magnetik.
8. Jelaskan proses munculnya reaktansi induktif !
Pada saat arus bolak-balik mengalir ke dalam kumparan terjadi
perubahan fluks magnet. Pada saat arus AC fase positif maka medan
magnet yang ditimbulkan mempunyai arah tertentu, pada saat fase negatif,
maka medan magnet yang ditimbulkan akan berlawanan arah pada saat fase
positif. Adanya perubahan arus imbas dan medan magnetik yang saling
berlawanan menyebabkan timbulnya reaktansi induktif.
9. Apakah induksi diri dari sebuah kumparan itu? Jelaskan!
Induksi diri dari subuah kumparan adalah besarnya GGL imbas
yang timbul jika ada perubahan arus sebesar 1 A, fluks magnetik yang
dihasilkan oleh kumparan itu sendiri. Induktansi diri berharga 1 henry bila
5
pada kumparan timbul GGL induksi sebesar 1 volt dengan perubahan kuat
arusnya 1 ampere tiap detik. Besarnya induktansi diri dari sebuah kumparan
dengan N lilitan:
L
N
dan X L  2fL
i
10. Bagaimana kaitan antara reaktansi induktif dengan koefisien induksi diri
dari sebuah kumparan? .
Kaitan antara reaktansi induktif dengan koefisien induksi diri (L)
dari sebuah kumparan semakin besar koefisien induksi diri, maka makin
besar pula reaktansi induktifnya. Karena dari rumus di atas tampak X L
berbanding lurus dengan L.
11. Apakah yang dimaksud dengan V efektif?
Nilai tegangan pada listrik AC yang disetarakan dengan nilai
tegangan pada listrik DC yang menghasilkan jumlah kalor yang sama pada
penghantar dalam waktu yang sama. Apabila kita mengukur dengan
osiloskop berlaku:
Veff 
Vmax
2
 0,707 Vmax
12. Apakah yang dimaksud dengan I efektif ?
Nilai arus pada listrik AC yang disetarakan dengan nilai arus pada
listrik DC yang menghasilkan jumlah kalor yang sama pada penghantar
dalam waktu yang sama. Apabila kita mengukur dengan osiloskop berlaku:
I eff 
C.
I max
2
 0,707 I max
ALAT-ALAT
1. Voltmeter AC
4. Power Supply AC
2. Wheatstone Bridge
5. Frekuensimeter
3. Ampermeter AC
6
D.
LANGKAH EKSPERIMEN
1. Menyusun peralatan seperti pada gambar berikut:
(a)
(b)
Pada rangkaian di atas berlaku hukum Ohm untuk rangkaian tertutup yaitu
V=IZ. Dengan Z adalah reaktansi induktor, V dan I merupakan nilai efektif
dari tegangan dan kuat arus.
2. Menentukan V dan I sedikitnya 5 kali (a)
3. Mengulangi langkah 1 dan 2 untuk rangkaian (b)
4. Menentukan resistansi kumparan dengan wheatstone bridge
5. Mengukur frekuensi tegangan AC dengan frekuensimeter.
E.
DATA PERCOBAAN
1. Rangkaian penentuan induksi diri kumparan (L)
No.
Rangkaian (a)
Rangkaian (b)
V (Volt)
I (mA)
V (Volt)
1.
0,5
30
2,2
2.
0,7
60
2,8
3.
0,8
90
3,4
4.
0,9
120
3,8
5.
1,1
150
4,2
6.
1,2
180
4,8
7.
1,3
210
5,2
8.
1,4
240
5,6
9.
1,5
270
6,0
10.
1,6
300
6,6
2. Reaktansi kumparan dengan wheatstone bridge : 0,6
3. Frekuensi sumber AC : 50 Hz
I (A)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
7
F.
ANALISIS DATA
1. Menentukan reaktansi induktif kumparan
Dengan menentukan nilai V dan I maka akan didapatkan Z (impedansi),
jika hubungan V dan I adalah linier, maka Z dapat ditentukan dengan
menghitung koefisien arah kurva. Hubungan ini dirumuskan: V  ZI
V : tegangan (volt), sebagai sumbu y
I
: kuat arus (A) sebagai sumbu x
Z : impedansi kumparan () sebagai gradien kurva
Dari grafik yang telah kita fitting di Microsoft Excel diperoleh persamaan
garis umum y  bx  a , koeffisien dari x yaitu b adalah gradien garis, bila
kita hubungkan dengan rumus V  ZI , maka b=Z, a=0, V=y dan I=x.
Kita buat grafik hubungan tegangan dan arus dari rangkaian (a) dengan
data:
No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Sumbu x
Sumbu y
I (A)
0.03
0.06
0.09
0.12
0.15
0.18
0.21
0.24
0.27
0.30
V (Volt)
0.5
0.7
0.8
0.9
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
8
GRAFIK HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN DAN ARUS PADA RANGKAIAN (a)
1.8
y = 4x + 0.44
R2 = 0.99
1.6
Tegangan (Volt)
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Arus (A)
Dari grafik di atas kita peroleh persamaan garis y = 4x + 0.44, gradien
garisnya b=4, sehingga impedansinya Z=4.
Jadi impedansi daripada kumparan saat dilalui arus listrik bolak-balik (AC)
adalah 4.
Untuk menentukan reaktansi induktif dapat diperoleh dengan rumus :
Z  R 2  X L2 dengan R=0,6 dan Z=4, maka:
X L  4 2  0,6 2
 16  0,36
 15,64
 3,95 
Jadi reaktansi induktif kumparan adalah 3,95 
9
Menentukan induktansi diri kumparan (L)
Untuk menentukan induktansi diri dari kumparan dapat diperoleh dengan
rumus : X L  2fL dengan XL=3,95 maka:
L

XL
2f
3,95
2 50
 0,0126 henry
Jadi induktansi diri kumparan adalah 0,0126 henry.
2. Kita buat grafik hubungan tegangan dan arus dari rangkaian (b) dengan
data:
No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Sumbu x
Sumbu y
I (A)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
V (Volt)
2.2
2.8
3.4
3.8
4.2
4.8
5.2
5.6
6.0
6.6
10
GRAFIK HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN DAN ARUS PADA RANGKAIAN (b)
7
y = 4.72x + 1.87
R2 = 1.00
6
Tegangan (Volt)
5
4
3
2
1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Arus (A)
Dari grafik di atas kita peroleh persamaan garis y = 4,75x + 1,87, gradien
garisnya b=4,75, sehingga impedansinya Z=4,75.
Jadi impedansi daripada kumparan saat dilalui arus listrik bolak-balik (AC)
adalah 4,75.
Untuk menentukan reaktansi induktif dapat diperoleh dengan rumus :
Z  R 2  X L2 dengan R=0,6 dan Z=4,75, maka:
X L  4,75 2  0,6 2
 22,56  0,36
 22,20
 4,71 
Jadi reaktansi induktif kumparan adalah 4,71 
11
Menentukan induktansi diri kumparan (L)
Untuk menentukan induktansi diri dari kumparan dapat diperoleh dengan
rumus : X L  2fL dengan XL=4,71 maka:
L

XL
2f
4,71
2 50
 0,0150 henry
Jadi induktansi diri kumparan adalah 0,0150 henry.
Dari hasil analisis data yang telah dilakukan di atas diperoleh hasil yang sedikit
berbeda, pada rangkaian (a) diperoleh induktansi diri L=0,0126 henry dan
reaktansi induktif XL=3,95. Sedangkan pada rangkaian (b) diperoleh
induktansi diri L=0,0150 henry dan reaktansi induktif XL=4,71.
G.
PEMBAHASAN DAN DISKUSI
Perbedaan metode pengukuran yang dipergunakan pada rangkaian (a) dan
rangkaian (b) adalah:
1. Pada rangkaian (a) tegangan yang diukur adalah beda potensial antara
kedua ujung kumparan. Pemasangan voltmeter paralel dengan kumparan.
Arus yang diukur oleh ampermeter adalah arus yang keluar dari kumparan
(arus total dari rangkaian tertutup), dengan pemasangan ampermeter secara
seri terhadap kumparan.
2. Pada rangkaian (b), tegangan yang diukur voltmeter adalah beda potensial
antara kumparan dan ampermeter. Pemasangan voltmeter paralel dengan
gandengan seri kumparan dan ampermeter. Arus yang diukur oleh
ampermeter adalah arus yang melalui kumparan dan bukan arus total seperti
pada rangkaian (a).
12
H.
KESIMPULAN
1. Sifat suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik DC, dia
berperilaku seperti magnet batang, yang sifatnya sementara, bersifat magnet
bila hanya ada arus DC yang mengalir dalam rangkaian tertutup, karena
arah medan magnet yang dihasilkan bila dikaji dengan kaidah tangan kanan
mempunyai garis gaya medan magnet yang arahnya searah. nilai resistansi
dari induktor hanyalah resistansi ohmik bila dialiri listrik DC.
2. Sifat suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik AC, dia tidak
berperilaku seperti magnet batang, sebab isyarat AC mempunyai fase positif
untuk setengah siklus dan fase negatif untuk setengah siklus berikutnya,
sehingga arah garis gaya yang dibentuk induktor berubah-ubah yang
menyebabkan adanya reaktansi induktif yang nilainya bergantung besar
induktansi diri. Jadi kumparan dialiri listrik AC mempunyai hambatan
ohmik dan reaktansi induktif.
3. Besarnya nilai resistansi suatu kumparan dapat ditentukan dengan
menggunakan prinsip wheatstone bridge.
4. Induktansi diri akan berharga 1 henry, jika pada kumparan timbul GGL
induksi sebesar 1 volt dengan perubahan kuat arusnya 1 ampere tiap detik,
yang dirumuskan: L 
N
i
5. Reaktansi induktif sebauah kumparan dapat ditentukan melalui hubungan:
X L  2fL  Z 2  R 2 dimana Z 
XL : Reaktansi induktif ()
f
: Frekuensi (Hz)
L : Induktansi diri (henry)
Z : Reaktansi induktor ()
R : Reaktansi ohmik kumparan ()
V : Tegangan (Volt)
I
: Arus (Ampere)
V
I
13
I.
DAFTAR PUSTAKA
Supramono Eddy, dkk. 2003. Fisika Dasar II. Malang : JICA-Universitas
Negeri Malang (UM).
Team. 2005. Petunjuk Praktikum Listrik Magnet. Malang : Laboratorium
Elektromagnetik, Fisika FMIPA UM.