PEMANFAATAN FLUKS MAGNETIK SEBAGAI SUMBER PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK DENGAN MENGGUNAKAN SOLENOIDA UTILIZATION OF MAGNETIK FLUX AS A SOURCE OF POWER PLANT BY USING SOLENOID Muhammad Furqon Setiadi 1, Mas Sarwoko 2, Ekki Kurniawan. 3 1,2,3 Fakutas Teknik Eektro Universitas Tekom, Bandung 1 qoqonat@students.tekomuniversity.ac.id, 2 sarwoko@tekomuniversity.ac.id, 3 ekki.kurniawan@gmai.com Abstrak Kebutuhan akan energi dunia terutama energi istrik sekarang ini sangatah penting dan untuk pemanfaatan kekuatan medan magnetik sebagai sumber energi istrik sekarang ini juga masih jarang tereaisaskian. Yakni memanfaatkan fuks magnetik yang berasa dari sumber medan magnetik dimana masih kurang diperhatikan atau disia-siakan. Pada tugas akhir ini merancang dan mereaisasikan soenoida sebagai penyadap fuks magnetik yang tersiasiakan dari sumber medan magnetik berupa motor istrik pada pompa air sehingga dihasikan tegangan istrik. Proses penyadapan ini didasari oeh proses tegangan induksi magnetik oeh soenoida. Untuk hasi tegangan yang diharapkan dari reaisasi soenoida dibutuhkan soenoida yang mempunyai jumah 5000 iitan dan inti besi berdiameter 3 cm serta jarak soenoida dengan sumber medan magnetik sehingga dengan spesifikasi tersebut diharapkan soenoida bisa optima menyadap induksi magnetik pada sumber medan magnetik sehingga bisa menyaakan ampu LED. Kata kunci : fuks magnetik, medan magnet, soenoida, induksi magnetik, Abstract The word's demand for energy, especiay eectrica energy today is very important and to use the strength of the magnetic fied as a source of eectrica energy today is sti rarey reaized. Namey utiizing the magnetic fux that comes from a source of the magnetic fied which is sti acking or is wasted. In this fina project design and reaize a soenoid as the magnetic fux tapper wasted magnetic fieds from sources such as eectric motors on pumps water to produce eectrica votage. The tapping process is based on magnetic induction votage process by soenoid. For the reaization of the expected votage soenoid having required of soenoid coi 5000 widings and iron core diameter of 3 cm and the distance of the soenoid with the magnetic fied so with these factors is expected to be optimay tapped soenoid magnetic induction in the magnetic fied sources so the soenoid can turn on the LED ights. Keywords: magnetic fux, magnetic fied, soenoid, magnetic induction 1. Pendahuuan Fuks magnetik yang tercipta akibat adanya medan magnetik dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan akan aat eektronik. Dengan adanya medan magnetik yang berasa dari arus istrik, maka harus dimanfaatkan sebagai mestinya. Karena masih jarang orang yang memanfaatkan garis-garis fuks magnetiknya menyebar pada aat eetronik tersebut sehingga dibutuhkan aat yang dapat menangkap medan magnetik tersebut. Pembuatan aat penyadap medan magnetik yang terbuang sia sia peru diakukan. Soenoida adaah saah satu aat yang digunakan untuk menyadap medan magnetik tersebut. Prinsip kerjanya menangkap fuks magnetik yang dihasikan aat istrik yang ain sehingga dengan soenoida tersebut dapat menghasikan daya istrik Pada Tugas akhir ini diakukan perancangan dan reaisasi soenoida yang menghasikan tegangan induksi yaitu dengan memanfaatkat gaya medan magnetik yang terbuang pada sumber medan magnetik. Keuaran dari tugas akhir ini diharapakan tereaisasikan rangkaian aat soenoida pembangkit daya istrik karena potensi dari medan magnetik itu sendiri 2. Landasan Teori 2.1 Pengertian Magnet Medan magnet adaah ruang disekitar magnet yang memiiki gaya magnetik. Gaya magnet yang timbu berasa dari 2 kutub magnet yakni kutub seatan (S) dan utara (U). Pada gambar 2.1 merupakan penggambaran garis garis gaya magnetik pada magnet batang menggunakan serbuk bijih. Garis garis gaya magnetik akan seau mengarah dari kutub utara menuju kutub seatan.
2.2 Hukum Ampere Hukum ampere adaah integra garis dari tangensia H sepanjang intasan tertutup adaah sama besarnya arus istrik dikitari intasan. Medan magnet yang ditimbukan pada intasan arus istrik berbentuk ingkaran yang terpusat pada penghantar. Untuk menentukan arah medan istrik di sekitar penghantar menggunakan kaedah tangan kanan 2.3 Permeabiitas Permeabiitas merupakan kemampuan sebuah benda untuk dapat diewati garis garis gaya magnet. Permeabiitas dinyatakan dengan μ. Sebuah benda dikatakan mempunyai permeabiitas tinggi jika mudah diewati garis gaya magnet sehingga fuks magnetik akan bertambah. Untuk permeabiitas udara dan ruang hampa adaah satu. Besarnya permeabiitas benda benda ain akan ditentukan memaui perbandingan terhadap udara dan ruang hampa, sehiingga didapatah permeabiitas reative dimana niai perabiitas udara dan bahan non magnetik adaah μ 0 = 4 π x 10 7 T. m/a. Untuk menghitung μ, niai perabiitas reative μ r harus dikaikan dengan permeabiitas udara μ 0. μ =μ r μ 0 Dimana : μ : permeabiitas bahan [ T.m/A atau Wb/A.m ] μ 0 : permeabiitas udara [ T.m/A atau Wb/A.m ] μ r : permeabiitas reative 2.4 Medan Magnet pada Kawat Meingkar Berarus Pada kawat meingkar yang diairi arus istrik juga memiiki medan magnet disekitarnya sampai ke pusat kawat meingkar. Persamaan besar rapat medan magnet pada pusat kawat meingkar berarus yang mempunyai jari jari ( r ) dengan arus istrik (i) sebagai berikut : B = µ i 2r B = μ 0μ r i 2r B = μ 0μ r i N 2r Dimana : B : rapat medan magnet [ Wb/m 2 atau tesa ] μ : permeabiitas bahan [ T.m/A atau Wb/A.m ] μ 0 : permeabiitas udara [ T.m/A atau Wb/A.m ] μ r : permeabiitas reatif i : arus yang mengair pada kawat [ A ] r : jarak dari kawat [m] N : jumah iitan pada kawat meingkar 2.5 Medan Magnet pada Soenoida Soenoida adaah kawat konduktor atau kumparan urus kemudian diiitkan berbentuk siinder sehingga menciptakan area medan magnet yang seragam pada setiap iitannya sesuai gabar 2.1 dimana garis gaya magnet nantinya didistribusikan secara merata dan parae pada kumparan. Gambar 2.1 Medan magnet pada soenoida µ N i B = B = μ 0μ r N i dimana : B : rapat medan magnet [ Wb/m 2 atau tesa ] μ : permeabiitas bahan [ T.m/A atau Wb/A.m ] μ 0 : permeabiitas udara [ T.m/A atau Wb/A.m ] μ r : permeabiitas reatif i : arus yang mengair pada kawat [ A ]
N : banyaknya iitan pada soenoida : panjang batang soenoida 2.6 Fuks Magnetik Fuks magnetik merupakan garis garis medan magnet yang berasa dari kutub utara sumber magnet yang menembus bidang datar secara tegak urus atau membentuk sudut kemiringan tertentu sesuai gambar 2.2 ϕ = B. A dimana : ϕ : fuks magnetik [ Webber ] B : medan magnet [ Wb/m 2 ] A : uas bidang yang diaui garis gaya magnet [m 2 ] Gambar 2.2 Penampakan garis garis medan magnetik pada bidang datar. Apabia garis garis medan magnet tidak tegak urus dengan bidang datar maka sudut (α) mempengaruhi besarnya fuks magnet sesuai persamaan di bawah ini. ϕ = B A cos α dimana : ϕ : fuks magnetik [ Webber ] B : medan magnet [ Wb/m 2 ] A : uas bidang yang diaui garis gaya magnet [m 2 ] α : sudut antara garis gaya magnet dengan permukaan bidang [ 0 ] 2.7 Induksi magnetik Induksi magnetik atau imbas istrik merupakan pembangkitan energi istrik dari medan magnet. Induksi magnetik terjadi pada suatu kumparan jika ada perubahan jumah garis gaya magnet yang diingkupi setiap saat. Percobaan pertama kai diakukan oeh Faraday yakni menggunakan iitan soenoida dengan inti udara dimana kedua ujung soenoidanya dihubungkan ke gavanometer, kemudian diberi magnet ke daam iitan soenoida sesuai sehingga terbentukah arus pada koi karena medan magnet yang ditimbukan oeh magnet Gambar 2.3 Percobaan Faraday 2.8 Tegangan induksi Tegangan induksi daam kumparan adaah tegangan yang terjadi akibat adanya perubahan kuat medan magnet atau perubahan jumah gaya magnet pada kumparan. Tegangan induksi erat kaitannya dengan hukum faraday. Hukum faraday menyatakan bahwa tegangan gerak eektrik imbas atau tegangan induksi didaam sebuah rangkaian adaah sama dengan kecepatan perubahan fuks magnetik yang memaui rangkaian tersebut. e = - N dϕ (2-12) dt Dimana : e : tegangan induksi [ Vot ] ϕ : jumah fuks magnetik [ Weber ] N : jumah iitan pada kumparan 2.9 Daya istrik Daya Listrik adaah jumah energi yang diserap atau dihasikan daam sebuah sirkuit atau rangkaian istrik. Sumber Energi istrik akan menghasikan daya istrik sedangkan beban yang terhubung dengannya akan menyerap daya istrik tersebut. Dengan kata ain, Daya istrik adaah tingkat konsumsi energi daam sebuah sirkuit atau rangkaian istrik. Sedangkan berdasarkan konsep usaha, yang dimaksud dengan daya istrik adaah besarnya usaha daam memindahkan muatan per satuan waktu atau ebih singkatnya adaah jumah Energi Listrik yang digunakan tiap detik. [5] P : E t P : V.I
P = I 2. R V 2 P = R Dimana : P : daya istrik [VA] E : energi [Joue] t : waktu [detik] V : tegangan istrik (Vot) I : arus istrik (A) R : hambatan (Ω) 2.10 Motor Listrik Motor istrik merupakan sebuah perangkat eektronika yang prinsip kerjanya mengubah energi istrik menjadi energi mekanik. Mekanisme kerja untuk seuruh jenis motor secara umum sama : 1. Arus istrik daam medan magnet akan memberikan gaya 2. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah ingkaran/ oop, maka kedua sisi oop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berawanan. 3. Pasangan gaya menghasikan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan. 4. Motor memiiki beberapa oop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang ebih seragam dan medan magnetnya dihasikan oeh susunan eektromagnetik yang disebut kumparan medan. 3. Pembahasan 3.1 Perancangan dan Reaisasi Soenoida 3.1.1 Perancangan Soenoida Perancangan aat yang digunakan untuk penyadapan fuks magnetik berupa soenoida. Soenoida dibuat dengan mengguung kawat atau meiitkan kawat pada kerangka soenoida yang berbentuk siinder. Di daam soenoida tersebut diberi inti besi untuk memperkuat daya serap medan magnetik. Untuk proses pembuatan soenoida ini dibutuhkan beberapa tahapan yakni menentukan spesifikasi kerangka soenoida, kemudian proses pengguungan kawat pada soenoida dengan jumah iitan yang teah ditentukan. Seteah itu disambungkan kedua ujung kawat soenoida dengan penyearah sederhana geombang penuh dan diteruskan ke ampu LED 3.1.2 Perancangan Kerangka Soenoida Kerangka soenoida secara dasar adaah berbentuk tabung siinder sehingga dapat digunakan untuk proses seanjutnya yakni peiitan kawat. Kerangka tersebut semuanya terbuat dari besi memiiki panjang 10 cm dengan diameter daam seniai 3 cm berisi inti besi dan diameter uar adaah 6 cm. Gambar 3.1 merupakan perwujudan dari rancangan soenoida tersebut. Gambar 3.1 Kerangka soenoida 3.1.3 Reaisasi Proses Pengguungan Kawat Proses pengguungan menggunakan pada kerangka soenoida menggunakan kawat emai tembaga bediameter 0,4 mm karena kaau dibawah ukuran tersebut sangat rentan putus sedangkan kaau ebih dari 0,4 mm maka suit untuk diguung dan dengan kerangka soenoida sepanjang 10 cm maka tidak akan cukup untuk jumah maksima iitan yang mana jumah iitan kawat yang diguung mencapai 5000 iitan. Untuk proses pengguungan ini diakukan secara hati hati karena sangat rentan putus dan bengkok pada kawat tersebut. Gambar 3.2 Liian kawat pada Soenoida
Gambar 3.3 Reaisasi soenoida 3.1.4 Reaisasi Penyearah Geombang Penuh Dengan Fiter Kapasitif Dibutuhkan penyearah karena tegangan yang dihasikan dari soenoida adaah tegangan AC yang harus diubah menjadi tegangan DC supaya bisa diapikasikan untuk menyaakan ampu LED. Gambar 3.4 rangkaian penyearah sederhana Gambar 3.5 Rangkaian penyearah pada PCB 3.1.5 Baterai asam timba Baterai asam timba adaah baterai yang paing banyak dikembangkan di dunia karena bahan yang digunakan sangat murah tetapi permormanya sangat tinggi. Baterai yang akan digunakan sebagai penyimpan daya istrik dengan spesifikasi baterai yakni 4 vot 800 mah. Gambar 3.6 Baterai asam timba 3.1.6 Lampu LED Lampu LED digunakan sebagi indicator adanya tegangan istrik yang didapat dari hasi penyadapan soenoida terhadap sumber medan magnet yakni pompa air. Lampu LED pada gambar 3.7 diambi dari ampu senter. Gambar 3.7 Lampu LED senter 3.1.7 Aat Ukur Gauss Meter dan Mutimeter Pada proses pengujian, digunakan aat ukur medan magnet atau gauss meter dan juga mutimeter. Penggunaan gauss meter untuk mengetahui besar medan magnet yang dihasikan oeh sumber medan magnet, dan mutimeter kegunaannya untuk mengukur tegangan yang dihasikan pada soenoida yang diinduksikan oeh sumber medan magnet.
B (µt) Gambar 3.8 Apikasi android gauss meter dan Mutimeter 3.1.8 Fowchart Perancangan Soenoida Perancangan penyadapan soenoida pada tugas akhir ini berdasarkan prosedur fow chart pada gambar 3.9, dimana hasi yang diperoeh sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Untuk anaisa diakukan seteah semua proses teah berjaan. Gambar 3.9 fow chart 3.2 Pengujian dan Anaisa Hasi Rancangan 3.2.1 Langkah Kerja Sistem Penyadapan Medan magnetik Pengujian soenoida yang teah dibuat diuji menggunakan sumber sumber medan magnet. Untuk tugas akhir ini sumber medan magnet menggunakan pompa air 250 watt. Langkah pertama, soenoida didekatkan dengan pompa air yang menyaa kemudian timbu medan magnet disekitar pompa air. Medan magnet berupa garis garis gaya magnetik yang meaui permukaan bidang atau uas bidang soenoida menghasikan fuks magnet. Seanjutnya fuks magnet yang terdapat pada soenoida terjadi proses induksi magnetik, terakhir dari adanya induksi magnetik akan menghasikan tegangan induksi. 3.2.2 Pengujian Soenoida pada Pompa air Proses pengujian pertama ini diakukan dengan angkah-angkah sebagai berikut : 1. menyiapkan aat ukur mutimeter, apikasi android Gaussmeter, soenoid, mistar dan jumper jumper, 2. menyaakan pompa air, menyiapkan Gaussmeter kemudian meakukan pengukuran medan magnet dengan berbagai macam jarak dari sumber medan magnet yaitu pompa air tersebut pada 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm dan 30 cm, 3. meetakkan Soenoida dengan jarak yang teah ditentukan pada pompa air yakni pada jarak 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm dan 30 cm, 4. meakukan pengukuran tegangan kedua ujung soenoida, 5. meakukan pengukuran arus pada kedua ujung soenoida. Dari proses pengujian di atas maka diperoeh grafik 4.1, 4.2, dan grafik 4.3. 300 200 100 0 219.7 90.3 56 15.210.3 0 10 20 30 40 Jarak (cm)
Tegangan induksi (Vot) Arus Listrik (ma) Gambar 3.10 Grafik medan magnet terhadap jarak 15 10 5 0 0 10 20 30 40 Jarak (cm) 15 10 5 0 0 10 20 30 40 Jarak (cm) Gambar 3.11 Grafik tegangan dan arus istrik terhadap jarak Pada gambar 3.10 adaah hasi hubungan antara rapat medan magnet dengan jarak sumber medan magnet, ketika jarak 0 cm dan 5 cm dari sumber medan magnet maka rapat medan magnet sangatah besar sampai gauss meter tidak bisa berjaan, baru bisa mendeteksi disaat jarak 10 cm dari pompa air. Apabia gauss meter mendekati sumber medan magnet maka rapat medan magnet yang dihasikan oeh soenoida akan semakin besar, dan sebaiknya. Pada gambar 3.11 dapat diihat grafik hubungan antara tegangan dengan jarak sumber medan magnet, bahwa hasi tegangan yang diperoeh ketika jarak 0 cm dari sumber medan magnet maka tegangan yang dihasikan oeh soenoida besar, dan sebaiknya jika jaraknya menjauhi sumber medan magnet maka tegangan yang dihasikan keci. Pada grafik gambar 3.11 juga terihat perubahannya pada soenoida pada jarak 5 cm dari sumber sebesar 3.65 Vot dan pada jarak 0 cm dari sumber maka besar tegangan yang didapat mencapai sebesar 13,15 Vot. Sedangkan untuk hubungan arus istrik dengan jarak dapat diihat pada grafik gambar 3.11, bahwa hasi arus istrik yang diperoeh ketika soenoida didekatkan terhadap sumber medan magnet maka arus istrik yang dihasikan oeh soenoida besar, dan sebaiknya jika jaraknya menjauhi sumber medan magnet maka arus yang dihasikan keci. Pada grafik gambar 4.4 juga terihat perubahannya pada soenoida pada jarak 10 cm dihasikan sebesar 0,55 ma dan pada jarak 0 cm dari sumber maka besar arus yang didapat mencapai sebesar 11,63 ma. Untuk mencari kerapatan medan magnet yang tidak terdeteksi gauss meter maka butuh pembuktian memaui perhitungan yang digunakan data pada jarak 10 cm. Diketahui untuk niai permeabiitas reative besi sendiri adaah 1 s.d. 10 5 Wb/A.m dan permeabiitas udara 4 π x 10 7 T. m/a, N iitan adaah 5000 iitan, niai arus istrik yang dihasikan adaah 0,55 ma serta panjang soenoida 10 cm. B = μ 0μ r N i 219,7. 10 6 = 4. 3,14. 10 7. μ r. 5000.0,55.10 3 10.10 2 μ r = 6,361 Wb/A.m Dari hasi perhitungan untuk niai permeabiitas bahan berupa besi didapat niai 6,361 Wb/A.m, sedangkan niai permeabiitas reative besi sendiri adaah 1 s.d. 10 5 Wb/A.m. Sehingga niai permeabiitas besi tersebut diantara niai permeabiitas reative besi. Ha ini membuktikan bahwa niai kerapatan medan magnet bergantung juga dengan niai permeabiitas besi. B = μ 0μ r N i B = 4. 3,14. 10 7. 6,361. 5000. 11,63. 10 3 10.10 2 B = 4,646 m T Niai ϕ dipengaruhi oeh kerapatan dan uas penampang soenoida yang berbentuk ingkaran dengan uas 2,826 mm 2 yang mana memiiki jari jari 3 cm. ϕ = B. A ϕ = 219,7. 10 6. 3,14. (3. 10 2 ) 2 ϕ = 0,62 mw Daya yang didapat dari pengujian soenoida adaah hasi kai tegangan dengan arus istrik. P = V. i P = 3,68 V. 3, 65 ma P = 13, 432 m VA 3.2.3 Apikasi Sederhana Penyadapan Medan Magnetik pada Soenoida Tegangan yang dihasikan pada proses penyadapan oeh sebuah soenoida iaah tegangan boak-baik (AC) dan digunakan penyearah untuk menghasikan tegangan searah atau tegangan DC sehingga dapat digunakan untuk apikasi pemanfaatan menyaakan ampu LED.
Gambar 3.12 Apikasi sederhana menyaakan sebuah ampu LED 3.2.4 Penyimpanan Daya Listrik yang Dihasikan Soenoida Pada pengapikasian soenoida ini digunakan baterai untuk menyimpan daya yang dihasikan soenoida dengan jarak dengan pompa air adaah 5 cm. Dan seteah terisi maka seanjutnya dapat digunakan untuk menyaakan ampu LED berjumah 4 buah seperti gambar 3.13. Gambar 3.13 apikasi penyimpanan daya baterai untuk menyaakan ampu 4. Kesimpuan Dari tahap perancangan dan percobaan pada pembahasan sebeumnya,diperoeh beberapa kesimpuan sebagai berikut : 1. Jarak berpengaruh terhadap besarnya medan magnet. Semakin dekat maka medan magnetnya akan semakin besar. Kuat medan magnet maksima yang didapat adaah 219,7 µt. 2. Jarak soenoida terhadap sumber medan magnet mempengaruhi hasi tegangan sadap. Semakin dekat jarak soenoida terhadap sumber medan magnet maka tegangan sadap yang dihasikan juga akan semakin besar, tegangan maksima yang didapat adaah 13,15 vot. 3. Jarak berpengaruh terhadap besarnya arus istrik. Semakin dekat maka arus yang dihasiakan akan semakin besar. Arus maksima yang didapat adaah 11,63 ma 4. Semakin banyak jumah iitan pada soenoida maka tegangan sadap yang dihasikan soenoida akan meningkat. 5. Pengapikasian tegangan induksi soenoida berupa dan digunakan untuk mengisi baterai dan menyaakan ampu LED. Daftar Pustaka [1] Abduah, Mikrajuddin. DIKTAT KULIAH FISIKA DASAR II TAHAP PERSIAPAN DASAR ITB. Institut Teknoogi Bandung. Bandung. 2006 [2] Bahtiar, Ayi. LISTRIK MAGNET II. Universitas Padjadjaran. Bandung. 2007 [3] Ramdani, Muhammad, GENERATOR LISTRIK. Institut Teknoogi Tekom. 2013 [4] Sudirman, Sudaryatno. RANGKAIAN MAGNETIK. 2015 [5] Hutauruk, T.S. TRANSMISI DAYA LISTRIK. Universitas Pendidikan Nasiona. Denpasar. 2015 [6] Yefianhan, Ichwan. KONSEP DASAR KEMAGNETAN. Universitas Negeri Padang. 2011