Rangkaian Magnetik. Oleh: Sudaryatno Sudirham

Transkripsi

1 Rangkaian Magnetik Oleh: Sudaryatno Sudirham Rangkaian magnetik merupakan basis dari sebagian terbesar peralatan listrik di industri maupun rumah tangga. Motor dan generator dari yang bekemampuan kecil sampai sangat besar, berbasis pada medan magnetik yang memungkinkan terjadinya konversi energi listrik. Di bab ini kita akan melihat hukum-hukum dasar, perhitungan dalam rangkaian magnetik, rugi-rugi dan gaya magnetik, induktor dan induktansi bersama. Seperti halnya analisis rangkaian listrik yang dilandasi oleh beberapa hukum saja, yaitu hukum Ohm dan Hukum Kirchhoff, analisis rangkaian magnetik juga dilandasi oleh hanya beberapa hukum saja, yaitu hukum Faraday dan hukum Ampère. Pembahasan kita akan diawali oleh kedua hukum tersebut dan setelah itu kita akan melihat rangkaian magnetik, yang sudah barang tentu melibatkan material magnetik. Walaupun demikian, kita tidak akan membahas mengenai material magnetik itu sendiri, melainkan hanya akan melihat pada hal-hal yang kita perlukan dalam kaitannya dengan pembahasan peralatan listrik. Kita juga hanya akan melibatkan beberapa jenis material saja yang telah sejak lama digunakan walaupun material jenis baru telah dikembangkan. 1. Hukum-Hukum Hukum Faraday. Pada 1831 Faraday ( ) menunjukkan bahwa gejala listrik dapat dibangkitkan dari magnet. Dari kumpulan catatan hasil percobaan yang dilakukan oleh Faraday, suatu formulasi matematis telah diturunkan untuk menyatakan hukum Faraday, yaitu : dλ e= (1) dt dengan e menunjukkan tegangan induksi [volt] pada suatu kumparan, dan λ adalah fluksi lingkup yang dicakup oleh kumparan. Jika kumparan mempunyai lilitan dan setiap lilitan mencakup fluksi magnit sebesar φ [weber], maka fluksi lingkup adalah λ = φ [weber-lilitan] dan (1) menjadi dφ e= () dt 1/4

2 Tanda negatif pada (1) diberikan oleh Emil Lenz, yang setelah melanjutkan percobaan Faraday menunjukkan bahwa arah arus induksi selalu sedemikian rupa sehingga terjadi perlawanan terhadap aksi yang menimbulkannya. Reaksi demikian ini disebut hukum Lenz. Hukum Ampère. André Marie Ampère ( ), melakukan percobaan yang terkenal dalam kaitan kemagnitan, yaitu mengenai timbulnya gaya mekanis antara dua kawat paralel yang dialiri arus listrik. Besar gaya F dinyatakan secara matematis sebagai µ l F = I 1 I (3) π r dengan I 1 dan I adalah arus di masing-masing konduktor, l adalah panjang konduktor, dan r menunjukkan jarak antara sumbu kedua konduktor dan besaran µ merupakan besaran yang ditentukan oleh medium dimana kedua kawat tersebut berada. Arus I dapat dipandang sebagai pembangkit suatu besaran medan magnit di sekeliling kawat yang dialirinya, yang besarnya adalah µ I B= (4) π r Hasil ini juga diamati oleh dua peneliti Perancis yaitu J.B. Biot dan F. Savart. Dengan (4), maka (3) menjadi lebih sederhana yaitu F = BlI 1 (5) Persamaan (5) ini berlaku jika kedua kawat adalah sebidang. Jika kawat ke-dua membentuk sudut θ dengan kawat pertama maka (5) menjadi Secara umum (6) dapat ditulis F = BlI 1 sinθ (6) F = K B B I f (θ) (7) dengan f(θ) adalah suatu fungsi sudut antara medan B dan arus I, dan K B adalah suatu konstanta untuk memperhitungkan berbagai faktor, seperti misalnya panjang kawat. Besaran B mempunyai satuan [weber/meter ]; hal ini dapat diturunkan sebagai berikut. /4

3 Menurut (5), satuan B adalah : [ newton] [ B] = [ amp] [ meter] sedangkan sehingga energi [ watt].[detik] [ volt][ amp][detik] [ newton ] = = = panjang [ meter] [ meter] [ volt][amp][detik] [ volt][detik] [ weber] [ B ] = = =. [ amp][ meter ] [ meter ] [ meter ] Jadi B menunjukkan kerapatan fluksi magnetik dengan satuan [weber/m ] atau [tesla]. Arah B ditentukan sesuai dengan kaidah tangan kanan yang menyatakan bahwa: jika kawat yang dialiri arus digenggam dengan tangan kanan dengan ibujari mengarah sejajar aliran arus maka arah B adalah sesuai dengan arah penunjukan jari-jari yang menggenggam kawat tersebut. Dalam persamaan (3), µ mewakili sifat medium tempat kedua konduktor berada; besaran ini disebut permeabilitas. Untuk ruang hampa, permeabilitas ini adalah dengan satuan 7 µ 0 = 4π (8) [ henry ]. Hal ini dapat diturunkan sebagai berikut. [ meter] [ newton] [ volt][ amp][detik] [ volt][detik] [ henry] [ µ 0] = = = = [ amp ] [ amp ][ meter] [ amp][ meter] [ meter] [ volt][detik] karena = [ henry] yaitu satuan induktansi. [ amp] Dalam hal mediumnya bukan vakum maka permeabilitasnya dinyatakan sebagai µ =µ r µ 0 (9) dengan µ r adalah permeabilitas relatif, yang merupakan perbandingan antara permeabilitas medium terhadap vakum. 3/4

4 Intensitas Medan Magnet. Dalam perhitungan-perhitungan rangkaian magnetik, akan lebih mudah jika kita bekerja dengan besaran magnetik yang tidak tergantung dari medium. Hal ini terutama kita temui pada mesin-mesin listrik dimana fluksi magnetik menembus berbagai macam medium. Oleh karena itu didefinisikan besaran yang disebut intensitas medan magnetik, yaitu H B () µ dengan satuan [ newton]/[ amp][ meter] [ amp] [ H ] = =. [ newton]/[ amp ] [ meter] Dengan pendefinisian ini, H merupakan besaran yang tidak tergantung dari medium. Secara umum satuan H adalah [lilitan amper]/[meter] dan bukan [amp]/[meter] agar tercakup pembangkitan medan magnit oleh belitan yang terdiri dari banyak lilitan. Hukum Rangkaian Magnetik Ampère. Hukum rangkaian magnetik Ampère menyatakan bahwa integral garis tertutup dari intensitas medan magnit sama dengan jumlah arus (ampere turns) yang membangkitkannya. Hukum ini dapat dituliskan sebagai Hdl=F m (11) F m dipandang sebagai besaran pembangkit medan magnit dan disebut magnetomotive force yang disingkat mmf. Besaran ini sama dengan jumlah ampere-turn yang dilingkupi oleh garis fluksi magnit yang tertutup. Dari relasi di atas, diturunkan relasi-relasi yang sangat bermanfaat untuk perhitungan rangkaian magnetik. Jika panjang total dari garis fluksi magnit adalah L, maka total F m yang diperlukan untuk membangkitkan fluksi tersebut adalah B F m = H L = L (1) µ Apabila kerapatan fluksi adalah B dan fluksi menembus bidang yang luasnya A, maka fluksi magnetnya adalah φ = BA (13) 4/4

5 dan jika (13) dimasukkan ke (1) akan diperoleh L F m = H L =φ (14) µ A Apa yang berada dalam tanda kurung pada (14) ini sangat menarik, karena sangat mirip dengan formula resistansi dalam rangkaian listrik. Persamaan (14) ini dapat kita tuliskan µ A Fm φ= Fm = L R (15) Pada (15) ini, F m merupakan besaran yang menyebabkan timbulnya fluksi magnit φ. Besar fluksi ini dibatasi oleh suatu besaran R yang kita sebut reluktansi dari rangkaian magnetik, dengan hubungan R= L (16) µa Persamaan (15) sering disebut sebagai hukum Ohm untuk rangkaian magnetik. Namun kita tetap harus ingat bahwa penurunan relasi ini dilakukan dengan pembatasan bahwa B adalah kostan dan A tertentu. Satuan dari reluktansi tidak diberi nama khusus.. Perhitungan Pada Rangkaian Magnetik Perhitungan-perhitungan pada rangkaian magnetik pada umumnya melibatkan material ferromagnetik. Perhitungan ditujukan pada dua kelompok permasalahan, yaitu mencari mmf jika fluksi ditentukan (permasalahan ini kita jumpai pada perancangan) mencari fluksi φ apabila geometri dari rangkaian magnetik serta mmf diketahui (permasalahan ini kita jumpai dalam analisis, misalnya jika kita harus mengetahui fluksi gabungan dari suatu rangkaian magnetik yang dikendalikan oleh lebih dari satu belitan). Berikut ini kita akan melihat perhitungan-perhitungan rangkaian magnetik melalui beberapa contoh. 5/4

6 CO TOH-1 : Suatu toroid terdiri dari dua macam material ferromagnetik dengan belitan pembangkit medan magnet yang terdiri dari 0 lilitan, seperti terlihat pada gambar di samping ini. Material a adalah besi nikel (nickel iron) dengan panjang + E R L a L b rata-rata L a = 0.4 m. Material b adalah baja silikon (medium silicon sheet steel) dengan panjang rata-rata L b = 0. m. Kedua bagian itu mempunyai luas penampang sama, yaitu m. a). Tentukan F m yang diperlukan untuk membangkitkan fluksi φ= 6 4 weber. b). Hitung arus yang harus mengalir pada belitan agar nilai fluksi tersebut tercapai. Penyelesaian : Untuk memperoleh F m total yang diperlukan kita aplikasikan hukum rangkaian Ampère pada rangkaian magnetik ini. Fm total = Fm a + Fm b = HaL a + HbLb Fluksi yang diinginkan di kedua bagian toroid adalah 6 4 weber, sedangkan kedua bagian itu mempunyai luas penampang sama. Jadi kerapatan fluksi di kedua bagian itu juga sama yaitu φ Ba = Bb = = = 0.6 tesla A Untuk mencapai kerapatan fluksi tersebut, masing-masing material memerlukan intensitas medan yang berbeda. Besarnya intensitas medan yang diperlukan dapat dicari melalui kurva B-H dari masingmasing material, yang dapat dilihat di buku acuan. Salah satu kurva B-H yang dapat kita peroleh adalah seperti dikutip pada Gb.1 di halaman berikut. Dengan menggunakan kurva B-H ini, kita peroleh Material a : untuk Ba = 0.6 tesla diperlukan Material b : untuk Bb = 0.6 tesla diperlukan Dengan demikian F m total yang diperlukan adalah Ha = AT/m Hb = 65 AT/m F m total = HaL a + HbLb = = 17 AT 6/4

7 b). Karena jumlah lilitan adalah 0, maka besar arus yang harus mengalir di belitan untuk memperoleh F m total sebesar 17 AT adalah I = = A Nickel-iron alloy, 47% Ni B [tesla] Medium silicon sheet steel Soft steel 0.5 Cast iron 0 H [ampre-turn / meter] Gb.1. Kurva B H beberapa material magnetik. Pemahaman : Dalam pemecahan persoalan di atas, karakteristik medium tidak dinyatakan oleh permeabilitas medium, melainkan oleh karakteristik B-H dari masing-masing material. Kita lihat dari kutipan kurva B-H Gb.1, bahwa hubungan antara B dan H adalah tidak linier. Apabila kita menginginkan gambaran mengenai besarnya permeabilitas masing-masing material, kita dapat menghitungnya sebagai berikut. Permeabilitas dari material a dan b masing-masing pada titik operasi ini adalah B 0.6 µ 0.06 µ = a = = 0.06 henry/meter µ = a a r a = = H µ 7 a 0 4π B 0.6 µ µ = b = = henry/meter µ = b b r b = = 7340 H 65 µ 7 4π b /4 0

8 Reluktansi rangkaian magnetik pada bagian toroid dengan material a dan b masing-masing dapat juga kita hitung, yaitu Fm R = a a φ 4 F 13 = 6670 ; R = m b b = φ Jadi walaupun bagian b dari toroid lebih pendek dari bagian a, reluktansinya jauh lebih besar. Kedua bagian rangkaian magnetik yang terhubung seri ini mempunyai reluktansi total sebesar Rtot =Ra +Rb = Untuk meyakinkan, kita hitung balik besarnya fluksi magnet φ= F m total Rtot 17 = = /4 weber dan ternyata hasilnya sesuai dengan apa yang diminta dalam persoalan ini. Hasil ini menunjukkan bahwa reluktansi magnet yang dihubungkan seri berperilaku seperti resistansi yang terhubung seri pada rangkaian listrik; reluktansi total sama dengan jumlah reluktansi yang diserikan. CO TOH- : Pada rangkaian magnetik dalam contoh-1. di atas, berapakah fluksi magnet yang akan dibangkitkan bila arus pada belitan dinaikkan menjadi 0.35 A? Penyelesaian : Dengan arus 0.35 A, F m total menjadi Untuk menghitung besarnya fluksi yang terbangkit, kita perlu mengetahui reluktansi total. Untuk itu perlu dihitung reluktansi dari masing-masing bagian toroid. Hal ini tidak dapat dilakukan karena untuk menghitung reluktansi tiap bagian perlu diketahui F m dan B untuk masing-masing bagian sedangkan untuk menghitungnya perlu diketahui besarnya fluksi φ yang justru ditanyakan. Dari apa yang diketahui, yaitu F m total dan ukuran toroid, kita dapatkan hubungan Fm total = HaLa + HbLb = 0.4Ha + 0.Hb = 35 F m total = = 35 AT 35 0.H H b a = 0.4 Karena luas penampang di kedua bagian toroid sama, yaitu m, maka kerapatan fluksi B juga sama. Dengan batasan ini, kita mencoba menyelesaikan persoalan dengan cara mengamati kurva B-

9 H. Kita perkirakan suatu nilai H b dan menghitung H a, kemudian kita mengamati lagi kurva B-H apakah untuk nilai H a dan H b ini terdapat B a = B b. Jika tidak, kita koreksi nilai H b dan dihitung lagi H a dan dilihat lagi apakah B a = B b. Jika tidak dilakukan koreksi lagi, dan seterusnya sampai akhirnya diperoleh B a B b. Kita mulai dengan H b = 0 AT yang memberikan H a = Kedua nilai ini terkait dengan B b = 0.75 dan B a = 0.9 tesla. Ternyata B a B b. Kita perbesar H b agar H a mengecil dan akan menyebabkan B b bertambah dan B a berkurang. Pada nilai H b = 1 AT, maka H a = 3.5; dan terdapat B b = 0.8 dan B a = 0.85 tesla. Kita lakukan koreksi lagi dan akan kita dapatkan B a B b 0.85 pada nilai H b = 15 dan H a = 5 AT. Dengan nilai ini maka besar fluksi adalah φ= 4 B A= = 8.5 weber. Perhitungan secara grafis ini tentu mengandung ketidak-telitian. Jika kesalahan yang terjadi adalah ± 5%, maka hasil perhitungan ini dapat dianggap memadai. Pemahaman : Jika kita bandingkan hasil pada contoh-1. dan. maka akan terlihat hal berikut. Contoh-1 : I = 0.17 A B= 0.6 tesla φ= 4 6 weber Contoh- : I = 0.35 A B= 0.85 tesla φ= weber Menaikkan arus belitan menjadi dua kali lipat tidak menghasilkan fluksi dua kali. Hal ini disebabkan oleh karakteristik magnetisasi material yang tidak linier. 9/4

10 CO TOH-3 : Pada rangkaian magnetik di bawah ini, tentukanlah mmf yang diperlukan untuk membangkitkan fluksi sebesar weber di kaki sebelah kanan. Rangkaian magnetik ini mempunyai luas penampang sama yaitu 0.00 m, kecuali kaki tengah yang luasnya m. Material yang digunakan adalah medium silicon steel. a b c 0.15 f e d m m Penyelesaian : Rangkaian magnetik ini mempunyai tiga cabang, yaitu efab dengan reluktansi R 1 ; be dengan reluktansi R dan bcde dengan reluktansi R 3. Rangkaian ekivalen dari rangkaian magnetik ini dapat digambarkan seperti di bawah ini. F m R 1 R R 3 Fluksi yang diminta di kaki kanan adalah φ 3 = weber. Karena dimensi kaki ini diketahui maka kerapatan fluksi dapat dihitung, yaitu B 3 = = 0.7 tesla Berdasarkan kurva B-H dari material yang dipakai, kerapatan fluksi ini memerlukan H 3 sebesar 80 AT/m. Jadi mmf yang diperlukan adalah /4

11 F m3 = H3 Lbcde = 80 (3 0.15) = 36 AT Rangkaian ekivalen memperlihatkan bahwa R terhubung paralel dengan R 3. Hal ini berarti bahwa F m3 juga harus muncul pada R, yaitu reluktansi kaki tengah, dengan kata lain F m = F m3. Dengan demikian kita dapat menghitung H. F F 36 H m3 = m = = = 40 AT/m Lbe Lbe 0.15 Melihat lagi kurva B-H, kita dapatkan untuk H ini B = 1.15 tesla. Luas penampang kaki tengah adalah m. Maka φ = B = = weber Fluksi total yang harus dibangkitkan di kaki kiri adalah φ 1 = φ+φ3 = = weber Luas penampang kaki kiri adalah 0.00 m, sama dengan kaki kanan. Kerapatan fluksinya adalah φ B 1 1 = = = 1.15 tesla Dari kurva B-H, untuk B 1 ini diperlukan H 1 = 40 AT/m, sehingga F m1 = H1 Lefab = 40 (3 0.15) = 8 AT Jadi total mmf yang diperlukan untuk membangkitkan fluksi sebesar weber di kaki kanan adalah F mtot = Fm 1 + Fm + Fm 3 = = 180 AT 11/4

12 CO TOH-4 : Berapakah mmf yang diperlukan pada Contoh-3. jika kaki tengah ditiadakan? Penyelesaian : Dengan meniadakan kaki tengah maka fluksi di seluruh rangkaian magnetik sama dengan fluksi di kaki kanan, yaitu φ=φ 3 = weber. Kerapatan fluksi di seluruh rangkaian magnetik juga sama karena luas penampangnya sama, yaitu B = B3 = = 0.7 tesla 0.00 Dari kurva B-H diperoleh H = 80 AT/m, sehingga mmf yang diperlukan adalah F m = H L abcdefa = 80 (6 0.15) = 7 AT Pemahaman : Dengan menghilangkan kaki tengah, mmf yang diperlukan menjadi lebih kecil. Bagaimanakah jika kaki tengah diperbesar luas penampangnya? Memperbesar penampang kaki tengah tidak mempengaruhi kerapatan fluksi di kaki ini sebab F m3 tetap harus muncul di kaki tengah. H tak berubah, yaitu H = F m3 /L be = 40 AT/m dan B juga tetap 1.15 tesla. Jika penampang kaki tengah diperbesar, φ akan bertambah sehingga φ 1 juga bertambah. Hal ini menyebabkan naiknya B 1 yang berarti naiknya H 1 sehingga F m1 akan bertambah pula. Dengan demikian F m total akan lebih besar. Penjelasan ini menunjukkan seolah-olah kaki tengah berlaku sebagai pembocor fluksi. Makin besar kebocoran, makin besar mmf yang diperlukan. 3. Rugi-Rugi Dalam Rangkaian Magnetik Rugi Histerisis. Dalam rekayasa, material ferromagnetik sering dibebani dengan medan magnit yang berubah secara periodik dengan batas positif dan negatif yang sama. Pada pembebanan seperti ini terdapat kecenderungan bahwa kerapatan fluksi, B, ketinggalan dari medan magnetnya, H. Kecenderungan ini kita sebut histerisis dan kurva B-H membentuk loop tertutup seperti terlihat pada Gb.. dan kita sebut loop histerisis. Hal ini telah kita pelajari dalam fisika. Di sini kita akan membahas akibat dari karakteristik material seperti ini dalam rekayasa. 1/4

13 d c B [tesla] b 0 H [AT/m] e a Gb.. Loop histerisis. Loop histerisis ini menunjukkan bahwa untuk satu nilai H tertentu terdapat dua kemungkinan nilai B. Dalam memecahkan persoalan rangkaian magnetik pada contoh-contoh di sub-bab. kita menggunakan kurva B-H yang kita sebut kurva B-H normal atau kurva magnetisasi normal, dimana satu nilai H terkait dengan hanya satu nilai B, yaitu kurva B-H pada Gb.1. Itulah sebabnya kesalahan perhitungan sebesar ± 5 % masih dapat kita terima jika kita menggunakan kurva B-H normal karena sesungguhnya B tidak mempunyai nilai tunggal, melainkan tergantung dari riwayat magnetisasi material. Perhatikan integrasi : Bb Bc HdB= luas bidang abda ; HdB= luas bidang bdcb B B a dan satuan dari HB : ampere newton newton newto meter joule [ HB ] = = = = meter ampre. meter 3 3 meter meter meter Jelaslah bahwa HB mempunyai satuan kerapatan energi. Jadi luas bidang abda pada Gb.. menyatakan kerapatan energi, yaitu energi magnetik. Karena luas abda diperoleh dari integrasi HdB pada waktu H dan B naik, atau dengan kata lain medan magnetik bertambah, maka ia menggambarkan kerapatan energi yang disimpan ke material. Luas bidang bdcb yang diperoleh dari integrasi HdB pada waktu medan magnit berkurang, menggambarkan kerapatan energi yang dilepaskan. 13/4 b

14 Dari gambar loop histerisis jelas terlihat bahwa luas bdcb < luas abda. Ini berarti bahwa kerapatan energi yang dilepaskan lebih kecil dari kerapatan energi yang disimpan. Sisa energi yang tidak dapat dilepaskan digambarkan oleh luas bidang abca, dan ini merupakan energi yang diserap oleh material dan tidak keluar lagi (tidak termanfaatkan) sehingga disebut rugi energi histerisis. Analisis di atas hanya memperhatikan setengah siklus saja. Untuk satu siklus penuh, kerapatan rugi energi histerisis adalah luas bidang dari loop histerisis. Jika kerapatan rugi energi histerisis per siklus (= luas loop histerisis) kita sebut w h, dan jumlah siklus per detik (frekuensi) adalah f, maka untuk material dengan volume v m 3 besar rugi energi histerisis per detik atau rugi daya histerisis adalah joule Ph = wh f v = wh f v [watt] det ik (17) Untuk menghindari perhitungan luas loop histerisis, Steinmetz memberikan formula empiris untuk rugi daya histerisis sebagai n P h = v f ( KhBm ) (18) dengan B m adalah nilai maksimum kerapatan fluksi, n mempunyai nilai antara 1,5 sampai,5 tergantung dari jenis material. K h adalah konstanta yang juga tergantung dari jenis material; untuk cast steel 0,05; silicon sheet steel 0,001; permalloy 0,0001. Rugi Arus Pusar. Jika medan magnetik berubah terhadap waktu, selain rugi daya histerisis terdapat pula rugi daya yang disebut rugi arus pusar. Arus pusar timbul sebagai reaksi terhadap perubahan medan magnet. Jika material berbentuk balok pejal, resistansi material menjadi kecil dan rugi arus pusar menjadi besar. Untuk memperbesar resistansi agar arus pusar kecil, rangkaian magnetik disusun dari lembar-lembar material magnetik yang tipis (antara 0,3 0,6 mm). Formula empiris untuk rugi arus pusar adalah P e = Ke f Bm τ v watt (19) dengan K e = konstanta yang tergantung dari jenis material; f = frekuensi (Hz); B m = kerapatan fluksi maksimum; τ = tebal laminasi; v = volume material. Perhatikan bahwa rugi arus pusar sebanding dengan pangkat dua dari frekuensi, sedangkan rugi histerisis sebanding dengan pangkat satu 14/4

15 frekuensi. Rugi histerisis dan rugi arus pusar secara bersama-sama disebut rugi-rugi inti. Rugi-rugi inti akan menaikkan temperatur rangkaian magnetik dan akan menurunkan efisiensi peralatan. 4. Gaya Magnetik Energi yang tersimpan dalam B B medan magnetik dapat B 1 b a digunakan untuk melakukan kerja mekanik (misalnya menarik tuas rele). Untuk mempelajari bagaimana gaya ini dapat timbul, kurva B-H H 0 H 1 H normal yang tidak linier a) b) seperti terlihat pada Gb.3.a, kita dekati dengan suatu Gb.3. Linierisasi Kurva B-H. kurva linier seperti pada Gb.3.b. Jika kita menaikkan H dari 0 ke H 1, maka B naik dari 0 ke B 1. Luas bidang 0ab0 menyatakan kerapatan energi yang tersimpan dalam material, dan besarnya adalah w f = 1 3 B1 H1 joule/m Secara umum, dengan medan magnetik sebesar H dalam suatu material akan terdapat kerapatan simpanan energi sebesar 1 w 3 f = BH joule/m (0) Perhatikan bahwa (0) kita peroleh setelah kita melakukan linierisasi kurva B-H. Karena (0) menunjukkan kerapatan energi, maka jika kita kalikan dengan volume dari rangkaian magnetik kita akan mendapatkan energi total yang tersimpan dalam rangkaian tersebut. Misalkan luas penampang rangkaian A dan panjangnya L, maka energi total menjadi W = BHAL= ( BA)( HL) = φf m joule (1) Antara fluksi φ dan F m terdapat hubungan φ = F m / R, sehingga (1) dapat juga dituliskan 15/4

16 1 1 Fm 1 W = φfm = = φ R joule () R Untuk memahami timbulnya gaya magnetik, kita lakukan percobaan dengan suatu rangkaian magnetik yang terdiri dari tiga bagian yaitu gandar, celah udara, dan jangkar, seperti terlihat pada Gb.4. Rangkaian ini dicatu oleh sumber tegangan V s yang diserikan dengan resistor variabel R. Luas penampang gandar sama dengan luas penampang jangkar. Untuk suatu kedudukan jangkar tertentu, dengan V s dan R tertentu, terjadi eksitasi sebesar F m yang akan membuat simpanan energi dalam rangkaian magnetik ini sebesar W = 1 ( φ R +φ R +φ R ) g g u u j j (3) Indeks g, u, dan j berturut-turut menunjukkan gandar, udara dan jangkar. Karena ketiga bagian rangkaian terhubung seri maka jika penyebaran fluksi di bagian pinggir di celah udara diabaikan fluksi di ketiga bagian tersebut akan sama. Kerapatan fluksi juga akan sama di ketiga bagian tersebut. Dengan demikian maka persamaan (3) dapat kita tulis 1 W = φ Besar reluktansi total adalah 1 ( R g +Ru +R j) = φ Rtotal (4) Lg L j L R u total = + + (5) µ A µ A µ A g j gandar jangkar Gb.4. Rangkaian magnetik dengan jangkar Karena kita melakukan linierisasi kurva B-H, maka permeabilitas material menjadi konstan. Hal ini ditunjukkan oleh kemiringan kurva B-H. Jadi µ g dan µ j dianggap konstan sedangkan permeabilitas udara dapat dianggap sama dengan µ V R x 16/4

17 Percobaan pertama adalah memegang jangkar tetap pada tempatnya dan menambah eksitasi dengan menurunkan nilai resistor R sehingga arus catu naik. Eksitasi akan naik menjadi (F m + F m ) dan simpanan energi pada seluruh rangkaian magnetik akan naik pula. Artinya tambahan energi sebesar W yang disebabkan oleh tambahan eksitasi sebesar F m tersimpan sebagai tambahan energi di semua bagian rangkaian yaitu gandar, jangkar dan celah udara. Untuk percobaan kedua, kita kembalikan dulu eksitasi pada keadaan semula dengan mengembalikan R pada nilai semula sehingga eksitasi kembali menjadi F m dan kita jaga konstan. Jangkar kita lepaskan sehingga celah udara menjadi (x x). Berkurangnya celah udara ini akan menyebabkan reluktansi R u menurun sehingga secara keseluruhan R tot juga menurun. Menurunnya R tot akan memperbesar fluksi karena eksitasi F m dipertahankan tetap. Ini berarti bahwa simpanan energi dalam rangkaian magnetik bertambah. Pertambahan simpanan energi yang terjadi pada percobaan ke-dua ini berbeda dengan pertambahan energi pada percobaan pertama. Pada percobaan pertama pertambahan energi berasal dari pertambahan masukan, yaitu F m. Pada percobaan ke-dua, F m dipertahankan tetap. Oleh karena itu satu-satunya kemungkinan pertambahan energi adalah dari gerakan jangkar. Jadi perubahan posisi jangkar memberikan tambahan simpanan energi dalam rangkaian magnetik. Penafsiran kita dalam peristiwa ini adalah bahwa perubahan posisi jangkar telah menurunkan energi potensial jangkar. Penurunan energi potensial jangkar itu diimbangi oleh naiknya simpanan energi pada rangkaian magnetik sesuai dengan prinsip konservasi energi. Jika dx adalah perubahan posisi jangkar ( x 0), F x adalah gaya mekanik pada jangkar pada posisi x, maka perubahan energi potensial jangkar adalah dw j = Fxdx (6) Perubahan energi tersimpan dalam rangkaian magnetik adalah dw. Karena tidak ada masukan energi dari luar (sumber listrik) maka dw j + dw = F dx+ dw = 0 F dx= dw (7) x Karena F m kita jaga konstan, kita dapat memasukkan persamaan () bentuk yang ke-dua ke (7) sehingga kita peroleh x 17/4

18 1 1 Fxdx= dw = d( Fm Rtot ) 1 Fx = d dx 1 1 Fm drtot 1 dr ( Fm Rtot) = = φ dx dx Rtot tot (8) Dengan persamaan (8) ini kita dapat menghitung gaya mekanik pada jangkar rele elektromekanik, plunger, dan lain-lain peralatan listrik yang memanfaatkan gaya magnetik. 5. Induktor Perhatikan rangkaian induktor (Gb.5). Apabila resistansi belitan dapat diabaikan, maka menurut hukum Kirchhoff + v 1 di f v1 + e1 = 0 v1 = e1 = L dt Gb.5. Rangkaian induktor. (9) Persamaan (9) adalah persamaan rangkaian listrik yang terdiri dari sumber v 1 dan beban induktor L. Tegangan e 1 adalah tegangan jatuh pada induktor, sesuai dengan konvensi pasif pada dalam analisis rangkaian listrik. Sekarang kita lihat rangkaian magnetiknya dengan menganggap inti induktor ideal (luas kurva histerisis material inti sama dengan nol). Dalam rangkaian magnetik terdapat fluksi magnetik φ yang ditimbulkan oleh arus i f. Perubahan fluksi φ akan membangkitkan tegangan induksi pada belitan sesuai dengan hukum Faraday dan hukum Lenz. dφ e t = 1 (30) dt Tanda pada (30) mempunyai arti bahwa tegangan induksi e t harus mempunyai polaritas yang akan dapat memberikan arus pada rangkaian tertutup sedemikian rupa sehingga arus tersebut akan memberikan fluksi lawan terhadap fluksi pembangkitnya, yaitu φ. Menurut kaidah tangan kanan, polaritas tersebut adalah seperti polaritas e 1 pada Gb.5. Jadi tanda i f + e 1 1 φ 18/4

19 pada (30) terpakai untuk menetapkan polaritas e t sedangkan nilai e t tentulah sama dengan tegangan jatuh e 1. Jadi dφ di f et = 1 = e1 = L (31) dt dt Persamaan (31) menunjukkan bahwa φ dan i f berubah secara bersamaan. Jika φ berbentuk sinus maka ia harus dibangkitkan oleh arus i f yang juga berbentuk sinus dengan frekuensi sama dan mereka sefasa. Arus i f sendiri berasal dari sumber tegangan yang juga harus berbentuk sinus. Jadi dalam sistem ini baik tegangan, arus maupun fluksi mempunyai frekuensi sama dan dengan demikian konsep fasor dapat kita gunakan untuk melakukan analisis pada sistem ini, yang merupakan gabungan dari rangkaian listrik dan rangkaian magnetik. Jika resistansi belitan diabaikan, persamaan (9) dan (31) dapat kita tulis dalam bentuk fasor sebagai E1 = jωli f ; Et = jω 1Φ= E1 = jωli f (3) dengan Φ adalah fluksi dalam bentuk fasor. Dengan memperhatikan (3), diagram fasor tegangan, arus, dan fluksi dari induktor tanpa memperhitungkan rugi-rugi inti dan resistansi belitan adalah seperti pada Gb.6.a. dimana arus yang membangkitkan fluksi yaitu I φ sama dengan I f. Dalam praktek, inti induktor tidaklah bebas dari rugi-rugi. Pada pembebanan siklis (dalam hal ini secara sinus) rugi-rugi inti menyebabkan fluksi yang dibangkitkan oleh i f ketinggalan dari i f sebesar γ yang disebut sudut histerisis. Keadaan ini diperlihatkan pada Gb.6.b. dimana arus magnetisasi I f mendahului φ sebesar γ. Melihat kenyataan ini, I f Φ I f = Iφ a). ideal E 1 = E t c E 1 = Et I c E 1 = Et I φ γ I Φ I f b). ada rugi-rugi inti θ I f Φ Gb.6. Diagram fasor induktor I f R1 c). ada resistansi belitan dapat dipandang sebagai terdiri dari dua komponen yaitu Iφ yang I φ V 1 19/4

20 diperlukan untuk membangkitkan φ, dan Ic yang diperlukan untuk mengatasi rugi-rugi inti. Jadi arus magnetisasi menjadi I f = Ic + Iφ. Komponen I c merupakan arus fiktif yang jika dikalikan dengan E 1 akan memberikan rugi-rugi inti o c = c 1 1 f γ P I E = E I cos(90 ) watt (33) Apabila resistansi belitan tidak dapat diabaikan, maka V 1 E 1. Misalkan resistansi belitan adalah R 1, maka V 1 = E1+ I f R1 (34) Diagram fasor dari keadaan terakhir ini diperlihatkan oleh Gb.6.c. Dalam keadaan ini, daya masuk yang diberikan oleh sumber, selain untuk mengatasi rugi-rugi inti juga diperlukan untuk mengatasi rugi daya pada belitan yang kita sebut rugi-rugi tembaga, P cu. Jadi f P = P + P = P + I R = V I cosθ (35) in c cu dengan V 1 dan I f adalah nilai-nilai efektif dan cosθ adalah faktor daya. CO TOH-5: Sebuah reaktor dengan inti besi mempunyai 400 lilitan. Reaktor ini dihubungkan pada jaringan bertegangan 115 volt, 60 Hz. Dengan mengabaikan resistansi belitan, hitung nilai maksimum fluksi magnetnya. Jika fluksi maknit dibatasi tidak boleh lebih dari 1, tesla, berapakah luas penampang intinya? Penyelesaian: Dengan mengabaikan resistansi belitan maka E 1 = V 1 1ωΦ maks 115 Φ maks = = 0,008 weber 400 π 60 Agar kerapatan fluksi tidak lebih dari 1, tesla maka Φ maks A 1 Φ A 1, maks c = 115 = 1 0,008 1, 1 m f = 9 cm. 0/4

21 Induktansi. Menurut (15) besarnya fluksi magnetik adalah µ A φ= F L m Fm = R Dengan mengabaikan fluksi bocor, F m dimasukkan ke (31) akan diperoleh. = i dan jika φ ini 1 dφ = dt 1 d dt 1i R f 1 = R di f dt di f = L dt sehingga 1 µ A L = = 1 (36) R L Induktansi Bersama. Jika pada induktor Gb.5. kita tambahkan belitan kedua, maka pada belitan kedua ini akan diimbaskan tegangan oleh φ seperti halnya pada belitan pertama. Besar tegangan imbas ini adalah dφ d 1i f di f e 1 = = = dt dt (37) R R dt Jika belitan kedua ini tidak dialiri arus (dalam keadaan terbuka), kita tahu dari pembahasan di bab terdahulu mengenai induktansi bersama bahwa e = L di di f + M dt dt sehingga kita peroleh induktansi bersama 1/4 di f = M dt 1 µ A M = = 1 (38) R L Pembahasan di atas memperlihatkan bahwa rangkaian induktor dapat kita analisis dari sudut pandang rangkaian listrik dengan mengaplikasikan hukum Kirchhoff yang kemudian menghasilkan persamaan (9). Kita dapat pula memandangnya sebagai rangkaian magnetik dan mengaplikasikan hukum Faraday dimana fluksi magnetik yang berubah terhadap waktu (dibangkitkan oleh arus magnetisasi i f ) menimbulkan tegangan induksi pada belitan.

22 CO TOH-6: Hitunglah resistansi dan induktansi selenoida (inti udara) dengan diameter rata-rata 1 cm dan panjangnya 1 m dan dengan 00 lilitan kawat tembaga berdiameter 0,5 mm. Penyelesaian : Induktansi: µ A 6 (4 ) ( / 4) 6 1 π π L = = = = 98,6 H R L 1 Resistansi : R =ρ l A 6 00 π = 0,0173 [ Ω.m] 3 π (0,5 ) / 4 =,77 Ω CO TOH-6: Dua buah kumparan, masing-masing 150 lilitan dan 140 lilitan, digulung pada satu inti magnetik yang mempunyai reluktansi Hitung induktansi bersama, dengan mengabaikan fluksi bocor. Penyelesaian : Induktansi bersama : M = = = 1,094 1,1 H R CO TOH-7: Dua kumparan (inti udara) masing-masing mempunyai 00 lilitan diletakkan paralel sejajar sedemikian rupa sehingga 60% fluksi yang dibangkitkan oleh salah satu kumparan melingkupi kumparan yang lain. Arus sebesar 5 A di salah satu kumparan membangkitkan fluksi 0,05 mwb. Hitunglah induktansi masingmasing kumparan dan induktansi bersama. Penyelesaian : Arus 5 A membangkitkan fluksi 0,05 mwb. Dengan jumlah lilitan 00 maka reluktansi dapat dihitung Induktansi masing-masing 00 5 R= 0,05 3 = 8 /4

23 L = R 00 = = 8 H= mh. Fluksi yang melingkupi kumparan yang lain 60% dari fluksi yang dibangkitkan di salah satu kumparan. Reluktansi bersama adalah Induktansi bersama 1 M = R M R M 8 R = = = 1, , = = 0,6 8 1,667 8 H= 6 mh Catatan Tentang Diagram Fasor. Dalam menurunkan fasor tegangan induksi E, kita berangkat dari persamaan (30) dengan mengambil t tanda sebagai penentu polaritas. Hasilnya adalah E merupakan tegangan jatuh pada belitan, sama dengan E 1, dan hal ini ditunjukkan oleh persamaan (3). Kita dapat pula memandang tegangan terbangkit Et sebagai tegangan naik Et = E1, dengan mengikut sertakan tanda pada (30) dalam perhitungan dan bukan menggunakannya untuk menentukan polaritas. Jika ini kita lakukan maka t Et = jω 1 Φ= E1 = jωli f (39) Dengan memperhatikan (39), diagram fasor tegangan, arus, dan fluksi untuk induktor ideal adalah seperti pada Gb.7.a. Di sini fasor tegangan terbangkit E t berada 90 o dibelakang fluksi pembangkitnya yaitu Φ. Fasor Φ sefasa dengan I φ = I f dan tertinggal 90 o dari E 1. Gb.7.b. dan Gb.7.c. adalah diagram fasor induktor dengan memperhitungkan rugi-rugi inti dan tembaga. 3/4

24 E t E 1 a). Induktor ideal. I f Φ = I φ E t b). ada rugi-rugi inti I φ Φ I c γ I f V L I c V L E t I θ φ V s I f c). ada resistansi belitan Φ Gb.7. Diagram fasor induktor riil. I f R 1 4/4