materi78.co.nr FIS 3 Induksi Elektromagnetik A. Ggl induksi dapat dihasilkan dengan cara: INDUKSI ELEKTROMAGNETIK Induksi elektromagnetik adalah besar arus listrik yang ditimbulkan oleh perubahan medan magnet (fluks magnet). B. GAYA GERAK LISTRIK INDUKSI Arus induksi adalah arus listrik yang dihasilkan induksi elektromagnetik. Gaya gerak listrik induksi (ggl induksi) adalah tegangan yang dihasilkan oleh arus induksi. Hukum Lenz menjelaskan arus induksi. Arus induksi yang timbul dalam kumparan menghasilkan medan magnet yang berlawanan arah dengan medan magnet yang menghasilkan arus induksi tersebut. Percobaan Faraday menjelaskan bahwa menggerakkan magnet keluar-masuk kumparan menyebabkan penyimpangan pada jarum galvanometer. Masuk kumparan 4) Mengalirkan arus listrik AC pada kumparan primer yang di dekatnya terdapat kumparan sekunder. Ggl induksi dipengaruhi oleh perubahan laju fluks magnet, oleh karena itu, ggl induksi juga dipengaruhi: 1) Perubahan luas bidang kumparan. ε = –N.B.cosθ N Iind Keluar kumparan Bind Iind ε = –N.B.A ∆t ∆t 1) Pada kawat bergerak lurus B I R F Besar ggl induksi yang timbul dalam suatu rangkaian sama dengan laju perubahan fluks magnet yang terjadi pada rangkaian tersebut. Hukum Faraday dapat dirumuskan: ε = –N. dΦ dt ε = ggl induksi (V) N = jumlah lilitan ΔΦ = Φ2 – Φ1 = perubahan fluks magnet (Wb) Δt = t2 – t1 = perubahan waktu (s) kumparan (cosθ2 - cosθ1 ) B Hukum Faraday menjelaskan ggl induksi berhubungan dengan laju perubahan fluks magnet. ∆t ∆B Ggl induksi dipengaruhi oleh kawat yang bergerak dalam medan magnet (mengakibatkan perubahan luas bidang kumparan). N ∆Φ ∆t 2) Perubahan induksi magnet (medan magnet). B ε = –N. ∆A 3) Perubahan orientasi sudut terhadap medan magnet. B S keluar-masuk 3) Memutus-hubungkan arus listrik pada kumparan primer yang di dekatnya terdapat kumparan sekunder. Bind v magnet 2) Memutar magnet di depan kumparan. ε = –N.A.cosθ v S 1) Menggerakkan kumparan. v L Ggl induksi ε = B.L.v.sinθ B = medan magnet (T) L = panjang penghantar (m) v = kecepatan gerak penghantar (m/s) θ = sudut antara medan magnet dengan arah kecepatan (m/s) Arus induksi Iind = B.L.v.sinθ R Arah arus induksi ditentukan dengan kaidah tangan kanan, dimana: INDUKSI ELEKTROMAGNETIK 1 materi78.co.nr Gaya Lorentz berlawanan arah dengan arah kecepatan, Pada solenoida dan toroida Berisi udara/vakum b. Arus induksi tegak lurus dengan arah medan magnet. L= μo .N2 .A μr .μo .N2 .A l L = induktansi diri (Henry atau H) μo = permeabilitas ruang hampa (4π.10-7 Wb/Am) N = jumlah lilitan A = luas penampang (m2) l = panjang solenoida (m) = keliling toroida = 2πr (m) F 2) Pada kawat berputar Energi induktor yang tersimpan di dalamnya yang berupa medan magnet dapat dihitung: Ggl induksi 1 ε = .B.ω.L2 E= 2 B = medan magnet (T) ω = kecepatan sudut penghantar (rad/s) L = panjang penghantar (m) Arus induksi D. 1 2 L.I2 APLIKASI INDUKSI ELEKTROMAGNETIK Aplikasi induksi elektromagnetik yang utama adalah transformator dan generator. Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan utnuk menaikkan dan menurunkan tegangan listrik arus AC. 1 B.ω.L2 Iind = . 2 R C. L= l Iind B (masuk) Berisi bahan INDUKTOR Induktor adalah alat penghasil medan magnet yang dapat digunakan untuk menghasilkan ggl induksi. Induktor biasanya merupakan kawat penghantar, kawat melingkar, solenoida, atau toroida. Komponen trafo terdiri atas kumparan primer, kumparan sekunder, dan inti besi. kumparan primer inti besi a. FIS 3 kumparan sekunder Hukum Henry menjelaskan tentang ggl induksi terhadap arus listrik. Besar ggl induksi yang timbul sebanding dengan laju perubahan arus terhadap waktu. Ggl induksi induktor (ggl induktansi diri) menurut hukum Henry dapat dirumuskan: ε = –L. ∆I ε = –L. ∆t dI dt εi = ggl induksi induktor (V) L = induktansi diri (Henry atau V.s/A atau T.m2/A) ΔI = I2 – I1 = perubahan kuat arus listrik (A) Δt = t2 – t1 = perubahan waktu (s) Induktansi diri (L) adalah kemampuan suatu induktor dalam menghasilkan ggl induktansi diri dari laju perubahan arus listrik yang terjadi. Induktansi diri pada berbagai keadaan: Pada kumparan L= NΦ I L = induktansi diri (Henry atau H) N = jumlah lilitan Φ = fluks magnet (Wb) I = kuat arus listrik (A) ~ 1. Cara kerja trafo: 1) Pada kumparan primer mengalir arus listrik AC yang berubah-ubah besar dan arahnya. 2) Karena perubahan arus listrik pada kumparan primer, maka fluks magnet pada kumparan sekunder juga berubah-ubah. 3) Perubahan fluks magnet pada kumparan sekunder menghasilkan ggl induksi dan arus induksi. 4) Terjadi perpindahan daya dari kumparan primer ke kumparan sekunder. INDUKSI ELEKTROMAGNETIK 2 materi78.co.nr FIS 3 Persamaan trafo dapat dirumuskan: VP VS = NP NS = IS IP Vp dan Vs = tegangan primer dan sekunder (V) Np dan Ns = jumlah lilitan primer dan sekunder Ip dan Is = arus listrik primer dan sekunder (A) Efisiensi trafo adalah presentase keidealan suatu trafo dalam menaik-turunkan tegangan, yaitu berdasarkan jumlah daya yang tidak hilang. Efisiensi trafo dapat dirumuskan: η= PS PP x 100% η= VS .IS VP .IP x 100% η = efisiensi trafo (%) Pp dan Ps = daya primer dan sekunder (W) Jenis-jenis trafo: Trafo step-up Trafo step-down penaik tegangan penurun tegangan Vs > Vp Vs < Vp Ns > Np Ns < Np Is < Ip Is > Ip Generator (dinamo) adalah alat yang mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Komponen generator terdiri atas kumparan berarus (rotor/berputar), magnet (stator/diam) dan cincin. Berdasarkan jenis arus listrik yang dihasilkan, generator terdiri dari: 1) Generator DC, menghasilkan arus listrik DC, dan dilengkapi satu buah cincin belah (komutator). 2) Generator AC, menghasilkan arus listrik AC, dan dilengkapi dua buah cincin luncur. Cara kerja generator: 1) Usaha luar berupa energi gerak (misalnya gerakan air, udara, atau panas) memutar kumparan. 2) Berputarnya kumparan menyebabkan perubahan fluks magnet, dan menghasilkan ggl induksi serta arus induksi. 3) Komutator berfungsi mengubah arus listrik AC menjadi DC pada generator DC, sedangkan cincin luncur berfungsi menghasilkan arus listrik AC pada generator AC. Ggl induksi yang dihasilkan generator: ε = N.B.A.ω. sinωt ε = ggl induksi generator (V) N = jumlah lilitan B = medan magnet (T) A = luas bidang kumparan (m2) ω = kecepatan sudut kumparan (rad/s) t = waktu lama perputaran (s) Ggl induksi maksimum yang generator terjadi ketika sin ωt = 1. dihasilkan εmaks = N.B.A.ω INDUKSI ELEKTROMAGNETIK 3 LATIHAN SOAL 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Kumparan dengan 50 lilitan bergerak selama 0,02 detik dari medan yang berkekuatan 34.10-5 weber ke medan yang berkekuatan 4.10-5 weber. Hitung GGL induksi rata-rata. (0,75 V) Batang tembaga yang panjangnya 40 cm diletakkan tegak lurus terhadap magnet- magnet dengan rapat fluks 0,8 weber/m2 dan bergerak ke sudur kanan medan magnet tersebut dengan kecepatan 50 cm/det. Hitungh GGL induksi pada kawat tembaga. (0,16 volt) Sebuah penghantar lurus panjangnya 10 cm digerakkan dalam medan magnet yang rapat fluksnya 104 weber/m2. Jika bresarnya hambatan batang 0,1 ohm, maka tentukan besar arus induksi yang mengalir ? kecepatan gerak kawat = 10 m/s (10-3 A) Batang tembaga yang panjangnya 5 cm diletakkan pada medan magnet yang rapat fluksnya 0,4 weber/m2 digerakkan dengan kecepatan v m/s dengan membentuk sudut 30o terhadap fluks dan menimbulkan GGL induksi sebesar 0,005 volt. Tentukan kecepatan gerak batang tembaga tersebut. (50 cm/s) Suatu kumparan persegi yang rata dengan 10 lilitan mempunyai sisi-sisi dengan panjang 12 cm. Kumparan itu berputar dalam medan magnet dengan kepadatan fluks 0,025 weber/m2. Berapakah kecepatan sudut dari kumparan jika GGL maksimum yang diinduksikan 20 mV. (0,885 putaran/det) Suatu kumparan dengan 5 lilitan mempunyai ukuran 9 cm x 7 cm berputar dengan kecepatan 15 rad/s dalam medan magnet seragam yang kepadatan fluksnya 0,8 weber/s. Berapa ggl maksimum yang diinduksikan (0,378 volt) Laju perubahan arus perdetik pada suatu rangkaian adalah 20 amper/det yang mengakibatkan timbulnya GGL induksi diri 60 volt. Tentukan induktansi diri dari rangkaian tersebut. (3 henry) Sebuah induktor berbentuk toroid dengan teras besi. Diameter toroid adalah 5 cm dan penampang teras luasnya 1 cm2. Permeabilitas relatif besi 500 tentukan induktansi dirinya jika toroid tersebut mempunyai 1000 lilitan. (0,4 henry) Kumparan yang berbentuk persegi panjang mempunyai 300 lilitan. Panjangnya 25 cm dan lebarnya 15 cm. Kumparan ini kemudian berputar dalam medan magnet serba sama yang induksi magnetiknya 0,365 tesla. Jika kecepatan sudutnya 1.800 rpm. Tentukanlah : a.Berapa ggl maksimum (773,6 volt.) b.Berapa ggl pada saat bidang kumparan membentuk sudut 60o dengan arah induksi magnetik. (386,8 volt) Transformator step-up mempunyai tegangan primer 120 volt. Untuk menghasilkan tegangan 1800 volt harus berapa lilitankah kumparan sekundernya jika kumparan primer terdiri dari 100 lilitan (1500 lilitan). Sebuah transformator dihubungkan pada tegangan 120 volt dan menghasilkan 2 A pada tegangan 900 volt. Berapa arus yang didapat dari alat tersebut jika tidak ada energi yang terbuang. (15 amper) Step-down transformator pada tegangan 2,5 KV diberi beban 80 amper. Perbandingan lilitan sekunder dan primer 1 : 20. Jika tak ada energi yang hilang maka tentukan : a.ggl sekunder (125 volt) b.arus primer (4 A) c.daya out-put (10 KW) Sebuah transformator step-down mempunyai kumparan primer dengan 110 lilitan, diberi tegangan masukan sebesar 220 volt dan tegangan keluaran terdiri dari 3 fasa, masing-masing 12 volt, 9 volt dan 3 volt. Berapa jumlah lilitan sekunder pada tiap fasa ? (6 lilitan, 4,5 lilitan, 1,5 lilitan) Sebuah transformator step-up mempunyai perbandingan lilitan 1 : 4 bila ggl primer 110 volt dan arus input = 2 A maka tentukan besar arus output (arus sekunder) Jika tegangan out put yang dikehendaki 220 volt. Efisiensi trafo 80 % (0,8 A) 4
