PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Transkripsi

1 PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK Oleh. Wita Sutrisno, Wandy Praginda, . 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 Gambar 1. Generator Arus Bolak-balik (AC) (Sumber :PPPPTK IPA) 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 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

2 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. Gambar 2. Generator Arus Searah (DC) (Sumber : PPPPTK IPA) 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 magnet yang melewati kumparan pada saat t adalah : Φ m = B.A cos θ = B.A cos ω. t diperoleh hubungan antara θ dan Φ m adalah: θ = ω.t. Oleh karena itu gaya gerak listrik (ggl) induksi kumparan adalah : dφ m 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=90 0 atau 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 180 0, 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

3 (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 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). Gambar 5.Output Tegangan generator DC (sumber : PPPPTK IPA) 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 setiap ½ siklus. Pada saat yang sama polaritas dan ggl induksi berbalik karenanya polaritas dan cincin belah tetap sama. Gambar 4. Generator Arus Searah (DC) (Sumber : e-dukasi.net, Diunduh Tgl 13/6/2012) 3

4 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

5 N p V p I s = = N s V s I p Apabila seluruh daya listrik pada tegangan primer 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 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 = P s P p = daya pada kumparan primer P s = daya pada kumparan sekunder Perbandiingan energi yang dapat dihasilkan dari kumparan sekunder terhadap primernya dinamakan efesiensi. Efisiensi dapat dituliskan adalah sebagai berikut ini : P 2 ŋ = X 100 % P 1 Induktor Ruhmkorff ŋ = efisiensi transformator (%) P 2 = daya primer (watt) P 1 = daya sekunder (watt) 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

6 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

7 DAFTAR PUSTAKA Abbot, A.F Ordinary Level Physics, Heineman Educational, Books. London Inc.... Douglas C Giancoli, Physics for Socientic s and Engener s, Edition three. Prentice-Hall Inc.... New Jersey, USA. Darliana, Pendekatan SPIKK (Pembelajaran yang Mengaktifkan Siswa Berpikir Kritis dan Kreatif) Bandung. PPPG IPA. Frank L, Werwierte, Gardon R Van Nooft, Physics a Bassic science. Teacher s Litton Educatinal Publishing, Philippines Inc. Frederick E. Thinklien, Modern Physics for teacher s. Edition. Holt. Renehart and winstans Austin. USA. Osborne R I, & Wittrock, MC, Learning in Science a generative process, Science Education 67. (4) Resnik R. and D. Holliday, Physics, New York, John Willey & Sons, Inc Sears, Zemanskey, Young University Physics. Eddition Wesley, Publishing Company.Inc.... Massachussets. USA. Tom Duncam & John Murray, Exploring Physics. Book Three, Britain London Osborne R I, & Wittrock, MC, Learning in Science a generative process, Science Education 67. (4)