magnet bergerak ke luar dari kumparan

Berkelas
BAB 5
Induksi Elektromagnetik
Standar Kompetensi:
Menerapkan konsep kelistrikan dan kemagnetan
dalam berbagai penyelesaian masalah dan produk
teknologi.
Kompetensi Dasar:
•
Memformulasikan konsep induksi Faraday dan
arus bolak-balik serta aplikasinya dalam
teknologi dan kehidupan sehari-hari.
A. Gaya Gerak Listrik Induksi
1. Percobaan Faraday
Michael Faraday (1791–1867), seorang
ilmu wan berkebangsaan Jerman
menemukan bahwa medan magnet yang
berubah-ubah dapat menimbulkan arus
listrik. Bagaimanakah percobaan yang
dilakukannya?
Percobaan Faraday digambarkan seperti
Gambar 5.2.
Gambar 5.1
(a) Magnet digerakkan masuk ke dalam
solenoida dan (b) magnet digerakkan ke
luar dari solenoida
Gambar 5.2
Percobaan Faraday: (a) magnet bergerak masuk
ke kumparan, (b) magnet dihentikan dalam
kumparan,
dan (c) magnet bergerak ke luar dari kumparan
Penyimpangan jarum galvanometer pada percobaan Faraday
menunjukkan bahwa dalam rangkaian kumparan terdapat arus listrik
atau aliran muatan listrik. Muatan listrik dapat mengalir pada suatu
penghantar jika pada ujung-ujung penghan tar itu terdapat beda
tegangan.
Beda tegangan pada ujung-ujung penghantar selama magnet
batang digerakkan disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi
atau ggl imbas). Muatan listrik yang mengalir pada kumparan
disebut arus induksi atau arus imbas.
Bertambah atau berkurangnya jumlah garis gaya magnetik
yang dilingkungi kumparan menunjukkan terjadinya perubah
an medan magnetik yang dilingkungi kumparan. Perubahan
medan magnetik itu menimbulkan beda tegangan pada ujungujung kumparan yang disebut ggl induksi. Ggl induksi
itulah yang dapat menimbulkan arus listrik pada kumparan.
Dari hasil percobaan Faraday, diperoleh kesimpulan tentang besarnya
ggl induksi sebagai berikut.
a. Besar ggl induksi bergantung pada kecepatan gerakan batang
magnet, dalam hal ini sama dengan perubahan fluks magnetik
setiap saat.
b. Besar ggl induksi bergantung pada jumlah lilitan pada kumparan.
Dengan demikian, besar ggl induksi yang dihasilkan adalah
Hukum Lenz
Keterangan:
ε = ggl induksi (volt)
∆Ф = perubahan fluks (Wb)
∆t = selang waktu (s)
N = jumlah lilitan
Arah arus induksi ini sedemikian rupa sehingga menghasilkan
medan magnet yang menentang medan magnet penyebab
terjadinya arus induksi tersebut.
Gambar 5.4
Arah arus induksi yang terjadi pada kumparan menghasilkan medan
magnetik yang melawan medan magnetik penyebabnya: (a) magnet
mendekat dan (b) magnet menjauh
ε = –Blv
Gambar 5.3
Kawat penghantar digerakkan dalam
medan magnet
Keterangan:
ε = ggl induksi (v)
B = medan magnet (Wb/m2)
l = panjang kawat (m)
v = kecepatan gerak kawat (m/s)
ε = –Blv sin Ө
Ө = sudut yang terbentuk
antara arah arus I dengan
arah medan magnet B
Gambar 5.5
Arah medan magnetik dengan kawat
AB membentuk sudut Ө
Gambar 5.6
Kaidah tangan kanan untuk
menentukan arah arus pada
penghantar bergerak
2. Penerapan Hukum Faraday
a. Generator
Generator atau pembangkit listrik adalah alat yang dapat
menimbulkan ggl induksi atau arus listrik induksi berdasarkan pada
konsep perubahan medan magnetik yang dapat menimbulkan ggl
induksi. Generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
1) Generator arus bolak-balik
Gambar 5.9
Grafik ggl bolak-balik (AC)
Gambar 5.8
Bagan generator arus listrik bolakbalik
Dalam praktiknya, energi mekanik untuk memutar kumparan dapat
diperoleh dari energi air yang disebut pembangkit listrik tenaga air
(PLTA), dari energi uap (PLTU), tenaga nuklir (PLTN), dan tenaga panas
bumi (PLTGU). Di Indonesia terdapat banyak tenaga pembangkit listrik,
di antaranya adalah PLTA Jati Luhur dan PLTA Saguling, di Jawa Barat ;
PLTU Tanjung Jati, di Jawa Tengah; dan PLTGU/Gas Alurcanang, di Jawa
Barat.
Gambar 5.10
(a) Air sumber energi listrik pada PLTA, (b) air menggerakan generator pada
stasiun PLTA, dan (c) skema aliran air dalam menggerakan turbin sebuah
generator
2) Generator arus searah
Generator arus searah menggunakan sebuah cincin kolektor
Gambar 5.12
Grafik arus searah (DC)
Gambar 5.11
Generator arus searah
Gambar 5.13
Ggl induksi pada kawat ab dan cd
ε = –N B A ω sin ωt
Keterangan
ε = Ggl yang dihasilkan generator
N= Banyak lilitan kumparan
B= medan magnet
A= luas penampang kumparan
ω= kecepatan putaran kumparan
b. Dinamo Sepeda
Gambar 5.14
Dinamo sepeda
B. Transformator
1. Tegangan pada Transformator
Transformator atau kadang disebut trafo adalah alat untuk
mengubah besarnya tegangan listrik bolak-balik.
Transformator bekerja berdasarkan perubahan induksi magnetik
pada sebuah kumparan yang diinduksikan pada kumparan lain.
Transformator dapat difungsikan jika tegangan masukan (input)
merupakan tegangan bolak-balik.
Gambar 5.15
(a) Tranformator, (b) bagan trafo, dan (c) simbol transformator
Keterangan:
V1 = tegangan masukan (input)
V2 = tegangan keluaran (output)
N1 = jumlah lilitan kumparan primer
N2 = jumlah lilitan kumparan sekunder
2. Efisiensi Transformator
Efisiensi atau daya guna transformator adalah perbandingan antara
daya listrik keluaran (Poutput ) dengan daya listrik masukan (Pinput ).
Poutput < Pinput
Gambar 5.16
Teras besi yang berlapis
mengurangi energi listrik yang
diubah menjadi kalor
Hilangnya energi listrik pada transfor mator
diakibatkan timbulnya arus pusaran atau
arus Eddy pada teras besi. Arus pusaran
adalah arus listrik yang alirannya mem
bentuk lingkaran-lingkaran tegak lurus arah
fluks magnetik. Arus pusaran dalam
penghantar menimbulkan kalor. Hal
tersebut menyebabkan kerugian listrik.
C. Aplikasi Induksi Elektromagnet pada Sistem
Pengeras Suara
1. Aplikasi Induksi pada Mikrofon
Gambar 5.18
(a) Mikrofon dinamik dan (b) bagan sederhana mikrofon dinamik yang bekerja
menggunakan prinsip induksi
2. Aplikasi Induksi pada Perekaman ke Kaset
Gambar 5.19
Head yang digunakan untuk
merekam dan memutar ulang
pita kaset atau disk
menggunakan induksi
Kaset yang digunakan pada tape recorder
untuk audio dan video mengandung
lapisan tipis oksida magnetik pada pita
plastik tipis. Selama rekaman
berlangsung, tegangan sinyal audio dan
video yang telah diubah ke dalam
bentuk sinyal listrik oleh mikrofon
diperkuat kemudian dikirim ke head
rekam yang berfungsi sebagai
elektromagnet kecil yang memagnetisasi
sebagian kecil dari pita yang pada saat
itu sedang berada di celah sempit
dari head seperti Gambar 5.19.
D. Tegangan Listrik Bolak-Balik
Arus bolak-balik (AC) adalah arus yang besarnya selalu berubah-ubah secara
efektif dan tegangan maksimum periodik. Tegangan bolak-balik adalah
tegangan yang besarnya selalu berubah-ubah secara periodik
1. Generator
Simbol tegangan bolak-balik digambarkan:
Gambar 5.20
Bagian-bagian generator AC
Gambar 5.21
Gerakan kumparan berputar dengan
sudut Ө terhadap kedudukan tegak lurus
ε = N B A ω sin ωt
ω maks = N B A ω
ε = εmaks sin ωt
Gambar 5.22
Grafik tegangan AC terhadap waktu
I = Imaks sin ωt
Gambar 5.23
Grafik arus dari tegangan AC terhadap waktu
Untuk mengetahui grafik dari tegangan bolak-balik,
digunakan osiloskop.
Gambar 5.24
Grafik arus dari tegangan AC terhadap waktu
2. Nilai Efektif Arus dan Tegangan Bolak-Balik (AC)
atau
Gambar 5.25
Mengukur arus searah
dengan
amperemeter DC
atau
E. Rangkaian Arus Bolak-Balik
1. Rangkaian Hambatan Murni dengan Arus Bolak-Balik
Gambar 5.26
Rangkaian R dengan generator AC
Gambar 5.27
Grafik sinusoidal pada rangkaian
hambatan murni
2. Rangkaian Induktor Murni dengan Arus Bolak-Bali
Gambar 5.28
Rangkaian L
Keterangan:
XL = reaktansi induktif (Ω)
ω = frekuensi sudut (rad/s)
f = frekuensi (Hz)
L = induktor (henry = H)
Gambar 5.29
(a) Grafik sinusoidal pada rangkaian induktor murni dan
(b) diagram fasor pada rangkaian induktor murni
3. Rangkaian Hambatan dan Induktor dengan Arus
Bolak-Balik
Gambar 5.30
Rangkaian RL
Z = impedansi (Ω)
Gambar 5.31
Diagram fasor dari rangkaian RL
Gambar 5.32
Diagram tegangan pada rangkaian
RL
4. Rangkaian Kapasitor Murni dengan Arus Bolak-Balik
Jadi, arus I merupakan arus sinusoidal. I
dan V memiliki beda fase π/2 atau 90°,
artinya pada rangkaian ini, arus yang
ada dalam rangkaian mendahului
tegangan dengan beda fase 90°
Gambar 5.35
Rangkaian C
Keterangan:
XC = reaktansi kapasitif (Ω)
ω = frekuensi sudut (rad/s)
f = frekuensi (Hz)
C = kapasitas (F)
Gambar 5.36
Grafik sinusoidal pada rangkaian
kapasitor murni
Gambar 5.37
Diagram fasor pada rangkaian
kapasitor murni
5. Rangkaian Hambatan dan Kapasitor dengan Arus
Bolak-Balik
Gambar 5.38
Rangkaian RC
Gambar 5.39
Diagram fasor dari rangkaian RC
Gambar 5.40
Diagram tegangan pada rangkaian
RC
6. Rangkaian Hambatan, Induktor, dan Kapasitor pada
Arus Bolak- Balik (Rangkaian RLC)
Gambar 5.43
Rangkaian RLC
Gambar 5.44
Diagram fasor dari rangkaian RLC
dan (b) grafik hubungan Vad
dengan ωD
Gambar 5.45
Diagram tegangan pada rangkaian RLC
7. Frekuensi Resonansi
Gambar 5.48
Diagram fasor rangkaian seri RLC
jika XL>XC
a. Hambatan induktif lebih besar
daripada hambatan kapasitif.
Dalam hal ini:
XL > XC
Rangkaian seri ini bersifat induktif
dan tan Ө bernilai positif. Hal itu
menunjukkan bahwa arus yang ada
dalam rangkaian mendahului
tegangan, dengan beda fase
sebesar Ө°.
Gambar 5.49
Diagram fasor rangkaian seri
RLC jika XL<XC
b. Hambatan induktif lebih kecil
daripada hambatan kapasitif. Dalam hal
ini:
XL < XC
Rangkaian seri ini bersifat kapasitif dan
tanӨ bernilai negatif. Hal itu
menunjukkan bahwa tegangan yang ada
dalam rangkaian mendahului
arus dengan beda fase sebesar Ө°.
c. Hambatan induktif sama dengan hambatan
kapasitif. Dalam hal ini.
XL = XC
Rangkaian seri ini bersifat resonansi tegangan atau
dikenal dengan istilah frekuensi resonansi. Tegangan
yang ada pada kapasitor (C) sama dengan tegangan
yang ada pada induktor (L) dan saling meniadakan.
Dengan demi kian, tegangan pada seluruh rangkaian
sama dengan tegangan sumbernya. Arus yang ada
dalam rangkaian adalah arus minimum,
disebabkan harga dari impedansinya (Z ) = R.
Keterangan:
f = frekuensi resonansi (Hz)
L = induktansi diri (H)
C = kapasitas kapasitor (F)
8. Daya pada Rangkaian Arus Bolak-Balik
Faktor daya.
P= I V cos Ө
Keterangan:
P = daya (W)
V = tegangan (V)
I = kuat arus (A)
cos Ө = faktor daya