Berkelas

BAB 5 Induksi Elektromagnetik

Standar Kompetensi: Kompetensi Dasar: 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 ujung-ujung 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. 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 Keterangan: ε = ggl induksi (volt) ∆Ф = perubahan fluks (Wb) ∆t = selang waktu (s) N = jumlah lilitan Hukum Lenz Arah arus induksi ini sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang menentang medan magnet penyebab terjadinya arus induksi tersebut.

ε = –Blv Keterangan: ε = ggl induksi (v) B = medan magnet (Wb/m2) 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 Keterangan: ε = ggl induksi (v) B = medan magnet (Wb/m2) l = panjang kawat (m) v = kecepatan gerak kawat (m/s) Gambar 5.3 Kawat penghantar digerakkan dalam medan magnet

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

ε = –N B A ω sin ωt 2) Generator arus searah Generator arus searah menggunakan sebuah cincin kolektor Gambar 5.12 Grafik arus searah (DC) Gambar 5.11 Generator arus searah 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 Gambar 5.13 Ggl induksi pada kawat ab dan cd

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 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. Gambar 5.16 Teras besi yang berlapis mengurangi energi listrik yang diubah menjadi kalor

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 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. Gambar 5.19 Head yang digunakan untuk merekam dan memutar ulang pita kaset atau disk menggunakan induksi

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 ε = εmaks sin ωt I = Imaks sin ωt ω maks = N B A ω 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 Keterangan: XL = reaktansi induktif (Ω) ω = frekuensi sudut (rad/s) f = frekuensi (Hz) L = induktor (henry = H) Gambar 5.28 Rangkaian L

3. Rangkaian Hambatan dan Induktor dengan Arus Bolak-Balik Gambar 5.29 Grafik sinusoidal pada rangkaian induktor murni dan 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 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)

5. Rangkaian Hambatan dan Kapasitor dengan Arus Bolak-Balik Gambar 5.37 Diagram fasor pada rangkaian kapasitor murni Gambar 5.36 Grafik sinusoidal 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 5.44 Diagram fasor dari rangkaian RLC dan (b) grafik hubungan Vad dengan ωD Gambar 5.43 Rangkaian RLC

Gambar 5.45 Diagram tegangan pada rangkaian RLC 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°. 7. Frekuensi Resonansi Gambar 5.48 Diagram fasor rangkaian seri RLC jika XL>XC

arus dengan beda fase sebesar Ө°. 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°. Gambar 5.49 Diagram fasor rangkaian seri RLC jika XL<XC 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