penerapan induksi elektromagnetik

PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
Oleh. Wita Sutrisno, Wandy Praginda,
Email. [email protected]
Pembelajaran Induksi Elektromagnet merupakan pembelajaran dasar bagi siswa agar dapat
mendeskripsikan konsep kemagnetan. Konten ini mencoba menyajikan topik induksi
elektromagnet tersebut secara aplikasi dan perhitungan. Sesuai dengan kompetensi guru mata
pelajaran fisika, "menerapkan konsep, hukum, dan teori IPA untuk menjelaskan berbagai
fenomena alam", diharapkan guru dapat menghitung tegangan, kuat arus listrik, dan jumlah
lilitan suatu trafo berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Dengan demikian siswa dapat
menerapkan konsep induksi elektromagnetik dapat diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari,
seperti pada motor listrik, mainan anak-anak, dinamo listrik atau generator listrik AC maupun
generator DC, dan induktor.
A. Pendahuluan
Generator merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Generator
terbagi menjadi generator arus bolak-balik dan generator arus searah. Secara umum
generator terdiri dari magnet, kumparan yang berinti besi, cincin luncur dan sikat karbon.
Ketika kumparan berputar terjadi perubahan fluks magnet yang dilingkupi oleh kumparan
tersebut, akibatnya pada kumparan akan mengalir arus induksi. GGL induksi dari
kumparan dihubungkan dengan cincin sikat karbon ke rangkaian di luar generator.
Selanjutnya listrik yang dihasilkan generator bisa ditransmisikan.
B. Penerapan Induksi Elektromagnetik
Generator AC atau Altenator adalah pembangkit
listrik yang menghasilkan arus listrik bolak-balik.
Pada generator tersebut terdapat dua buah cincin
luncur untuk menghindari melilitnya kabel. Kumparan
berputar dalam medan magnet tetap (Gb.1)Dalam
prakteknya, untuk memutar kumparan diperoleh dari
Gambar 1. Generator Arus
Bolak-balik (AC)
(Sumber :PPPPTK
IPA)
energi luar. Sebagai contoh pada pembangkit listrik
tenaga air, tenaga air yang memutarkan turbin; pada
pembangkit listrik tenaga panas bumi, uap panas dari
bumi yang memutarkan turbin.
1
Pada PLTA, generator dihubungkan dengan sudu-sudu yang dapat diputar oleh aliran air terjun,
putaran sudu-sudu menyebabkan kumparan berputar. Saat kumparan berputar, perubahan garisgaris gaya magnet (fluks) berubah secara periodik, menginduksi gaya gerak listrik (ggl) dan arus
dalam rangkaian luar. Ujung dari kawat dihubungkan dengan cincin geser yang berputar
bersama kumparan. Hubungan dengan rangkaian luar dilakukan dengan melalui sikat yang diam
bersentuhan dengan cincin geser.
Misalkan kumparan terdiri dari N buah, dengan luas A,
dan anggap kumparan berputar dengan kecepatan angular
(α). Jika theta (θ) adalah suatu sudut antara medan
magnet dengan gaya normal bidang kumparan, seperti
yang terlihat pada gambar 2, di samping ini. Maka fluks
Gambar 2. Generator Arus Searah
(DC) (Sumber : PPPPTK IPA)
magnet yang melewati kumparan pada saat t adalah :
Φm = B.A cos θ = B.A cos ω. t
diperoleh hubungan antara θ dan Φm adalah: θ = ω.t. Oleh karena itu gaya gerak listrik (ggl)
induksi kumparan adalah :
dΦm
d (cos ω.t)
ε = -N
= - N.A.B
= N.A.B ω . sin ω.t
dt
dt
Hasil ini menunjukkan bahwa gaya gerak listrik induksi mempunyai variasi sinusoida terhadap
waktu. Grafik dapat dilihat seperti pada gambar di atas. Nilai maksimum dari ggl induksi
dicapai untuk sin ω.t = 1, yakni terjadi apabila ω.t=900 atau 2700 . Dengan kata lain ε = ε max
bila medan magnet pada bidang kumparan dan laju perubahan fluks terhadap waktu maksimum.
Lebih jauh, nilai ε = 0, jika ω.t = 0 atau 1800, yakni bila B tegak lurus bidang kumparan dan
perubahan fluks terhadap waktu bernilai nol. Luas loop (A) berlaku untuk segala bentuk
kumparan, tidak hanya pada bujur sangkar seperti pada contoh di atas.
maks
min
Gambar 3.Output Tegangan generator AC (sumber : PPPPTK IPA)
Dengan demikian, gaya gerak listrik (ggl) keluaran generator adalah arus bolak-balik (AC)
secara sinusoidal (gambar 3). ω dinyatakan dalam radian perdetik, dapat diyatakan dengan ω =
2 π.f Dalam bidang komersial frekuensi getaran AC=60 Hz atau 50 Hz.
2
(sumber : PPPPTK IPA)
Generator DC adalah pembangkit listrik yang menghasilkan arus listrik searah. Pada generator
DC terdapat komutator (sepasang cincin belah) untuk menghindari melilitnya kabel sekaligus
menyearahkan arus listrik yang dihasilkan.
Pada ujung-ujung kumparanya dihubungkan ke bagian
setengah cincin, bagian setengah cincin ini berfungsi
sebagai komutator yang dapat mengubah arus listrik
yang keluar selalu merupakan arus searah (gambar 4).
Generator arus searah (DC) memiliki satu cincin yang
dibelah sehingga dinamakan cincin belah atau
komutator. Kedua sikat karbon bersentuhan dengan
kedua cincin belah secara bergantian, sehingga salah
Gambar 4. Generator Arus Searah (DC)
(Sumber : e-dukasi.net, Diunduh Tgl
13/6/2012)
satu sikat karbon selalu berpolaritas positif dan yang lain berpolaritas negatif. Hal ini
menyebabkan arus listrik induksi yang mengalir ke luar generator adalah searah (DC).
Dari gambaran di atas, tegangan output
selalu mempunyai polaritas yang sama dan
pulsa arus adalah pulsa arus searah
(gambar 5). Hal ini dapat dimengerti
dengan melihat bahwa kontak dengan
cincin belah akan membuktikan peranan
Gambar 5.Output Tegangan generator DC
(sumber : PPPPTK IPA)
setiap
½
polaritas
siklus. Pada saat yang sama
dan
ggl
induksi
berbalik
karenanya polaritas dan cincin belah tetap
sama.
3
Transformator (Trafo)
Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk merubah tegangan listrik AC.
Perubahan medan magnet yang terjadi pada kumparan primer akan memberikan induksi pada
kumparan sekunder, sehingga pada kumparan sekunder terjadi perubahan gaya medan magnet
terhadap waktu. Perubahan medan magnet yang dapat menghasilkan perubahan medan listrik
pada kumparan sekunder ini, pertama kali diamati atau diselidiki oleh „Michael Faraday”.
Sehingga Michael Faraday memberikan suatu perumusan bahwa, perubahan medan magnet
dapat menghasilkan medan listrik yang besarnya bergantung dari besar perubahan medan
magnet. Pada gambar 6 ditunjukkan bentuk dan skema sebuah ternsformator berikut ini.
Gambar 6. bentuk phisik dan skema transformator
(sumber : PPPPTK IPA, Diunduh dan diedit tgl 13/6/2012)
Transformator berfungsi untuk menaikan atau menurunkan tegangan listrik bolak-balik.
Transformator semacam ini dinamakan transformator step-up atau stef-down. Sedangkan pada
transformator step-up memiliki jumlah lilitan pada kumparan sekunder lebih banyak daripada
jumlah lilitan yang terdapat pada kumparan primer.
Gambar 6. bentuk fisik dan skema transformator (sumber : PPPPTK IPA)
Perumusan umum yang biasa dipakai dalam menentukan besar tegangan, jumlah lilitan dan
besarnya arus pada kumparan primer atau sekunder untuk sebuah transformator tersebut adalah
seperti pada persamaan berikut.
4
Np
Vp
=
Ns
N p = jumlah lilitan primer
N s = jumlah lilitan sekunder
V p = besar tegangan lilitan primer
V s = besar tegangan lilitan sekunder
I p = besar arus lilitan primer
I s = besar arus lilitansekunder
Is
=
Vs
Ip
Apabila seluruh daya listrik pada tegangan primer
dapat dimanfaatkan pada kumparan sekundernya atau dengan kata lain efisiensi transformator
100 %, berarti daya pada primer sama dengan daya pada sekunder.Transformator dengan
efisiensi 100 % dinamakan transformator ideal.
P p = daya pada kumparan primer
P s = daya pada kumparan sekunder
Pp = Ps
Perbandiingan energi yang dapat dihasilkan dari kumparan sekunder terhadap primernya
dinamakan efesiensi. Efisiensi dapat dituliskan adalah sebagai berikut ini :
P2
ŋ =
ŋ = efisiensi transformator (%)
P2 = daya primer (watt)
P1 = daya sekunder (watt)
X 100 %
P1
Induktor Ruhmkorff
Induktor yang bekerja berdasarkan adanya arus searah
(DC) dinamakan Induktor Ruhmkorff. Fungsi induktor
ini adalah untuk menaikkan tegangan arus searah,
sehingga jumlah lilitan menentukan pada kumparan
sekundernya lebih banyak dari pada jumlah lilitan pada
kumparan primernya.
Gambar 7. loncatan elektron (arus listrik)
pada Induktor Ruhmkorff
Sumber : twfpowerelectronics.com diunduh
tgl 13/06/2012
Bagian primer dari kumparan ini dilengkapi dengan sebuah interuptor yang berfungsi untuk
atau sebagai saklar otomatis untuk pemutus dan menyambungkan arus listrik dalam rangkaian
Induktor Ruhmkorff itu. Dengan interuptor ini akan terjadi perubahan arus listrik akan terjadi
perubahan pada kumparan primernya yang dapat menimbulkan perubahan medan magnet, di
sekitar kumparan itu. Perubahan arus listrik
yang terjadi pada bagian primer ini akan
berpengaruh pada bagian sekundernya, sehingga induktor ruhmkorff berfungsi sebagai
transformator (gambar 8).
Gambar 8. Bagian-bagian Induktor Ruhmkorff
(Sumber : Wikipedia)
5
Induktor Ruhmkorff ini biasa digunakan pada kendaraan bermotor seperti motor vespa dan
mobil (gambar 9) yang biasa kita kenal dengan koil. Induktor ini “berupa koil dan
interuptornya berupa pelatina”, dalam kendaraan tersebut. Tingginya tegangan listrik yang
dihasilkan pada bagian sekundernya akan dapat menimbulkan loncatan bunga api (korona) pada
bagian busi kendaraan tersebut.
Gambar 9. Penggunaan induktor dalam mesin kendaraan sebagai bagian pengapian
Sumber : gitopejatenmas.blogspot.com diunduh dan diedit tanggal 13/6/2012
Hal ini terjadi karena adanya aliran gas bakar seperti bensin dari karburator akan terjadi
pembakaran pada mesin kendaraan tersebut, sehingga dapat menghasilkan tenaga atau energi
mekanik (gerak) yang sangat tinggi.
6
DAFTAR PUSTAKA
Abbot, A.F. 1986. Ordinary Level Physics, Heineman Educational, Books. London
Inc . . . .
Douglas C Giancoli, 1999. Physics for Socientic’s and Engener’s, Edition three.
Prentice-Hall Inc . . . . New Jersey, USA.
Darliana, 2000. Pendekatan SPIKK (Pembelajaran yang Mengaktifkan Siswa
Berpikir Kritis dan Kreatif) Bandung. PPPG IPA.
Frank L, Werwierte, Gardon R Van Nooft, 1987. Physics a Bassic science. Teacher’s
Litton Educatinal Publishing, Philippines Inc .
Frederick E. Thinklien, 1988. Modern Physics for teacher’s. Edition. Holt. Renehart
and winstans Austin. USA.
Osborne R I, & Wittrock, MC, 1993. Learning in Science a generative process,
Science Education 67. (4) 489-508.
Resnik R. and D. Holliday, 1986. Physics, New York, John Willey & Sons, Inc …
Sears, Zemanskey, 1987. Young University Physics. Eddition Wesley, Publishing
Company.Inc . . . . Massachussets. USA.
Tom Duncam & John Murray, 1978. Exploring Physics. Book Three, Britain
London
Osborne R I, & Wittrock, MC, 1993. Learning in Science a generative process,
Science Education 67. (4) 489-508.
7