23 0 595 KB
INDUKSI ELEKTROMAGNET
Bab I Induksi Elekromagnetik I A. Pendahuluan Setelah melakukan percobaan ini mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan bagaimana GGL dapat terinduksi oleh induksi elektromagnetik dan menyebutkan faktor-faktor yang mempengaruhinya. B. Teori Dasar Induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya gaya gerak listrik di dalam suatu kumparan/konduktor bila terdapat perubahan fluks magnetik pada konduktor tersebut atau bila konduktor bergerak relatif melintasi medan magnetik. Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan
bahwa
perubahan medan
magnet
magnet
dapat menimbulkan
arus listrik
(artinya
menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik. Penyebab Terjadinya GGL Induksi
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis- garis gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida).
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang
terdapat di dalam kumparan berkurang.
Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi
akibat
adanya
perubahan
jumlah
garis-garis
gaya
magnet
disebut
induksi
elektromagnetik. Faktor yang Mempengaruhi Besar GGL Induksi Sebenarnya besar kecil GGL induksi
dapat
dilihat
pada
besar
kecilnya
penyimpangan
sudut
jarum
galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. C. Percobaan dan Data 1. Prosedur percobaan Persiapan Percobaan a. Siapkan alat-alat sesuai daftar b. Susun rangkaian
Pasang kumparan 500 lilitan
Gunakan millimeter digital sebagai ammeter dengan batas ukur 200µA DC.
c. Gunakan table penghubung kumparan dengan ammeter. d. Periksa kembali rangkaian yang telah anda buat. Langkah-langkah kerja a. Sambil mengamati ammeter, gerakan batang magnet ke dalam kumparan. Catat hasil pengamatan anda pada tabel 1.1 b. Sambil mengamati ammeter, gerakan batang magnet ke luar kumparan. Cata hasil pengamatan anda pada tabel 1.1 c. Ulangi langkah a dan b dengan gerakan magnet yang lebih cepat. Catat hasil pengamatan anada pada tabel 1.1 d. Ganti kumparan 500 lilitan dengan kumparan 1000 lilitan, kemudian ulangi langkah a sampai c. Catat hasil pengamatan anda pada tabel 1.1 e. Lakukan langkah a sampai d dengan menggunakan dua buah magnet yang digabungkan searah, kutub utara-utara dan kutub selatan-selatan. Gunakan selotip agar gabungan magnet tersebut tidak terlepas. Catat hasilnya pada tabel 1.2.
2. Data percobaan Tabel 1.1 Satu buah megnet
Kumparan Gerakan magnet
Arus
Gerakan magnet
Arus
(lilitan)
ke dalam
(mA)
ke luar
(mA)
pelan
0,6
pelan
1,3
cepat
14,5
cepat
10,5
pelan
11,3
pelan
18,7
cepat
20,2
cepat
28,7
500
1000
Tabel 1.2 Dua buah magnet Kumparan Gerakan magnet
Arus
Gerakan magnet
Arus
(lilitan)
ke dalam
(mA)
ke luar
(mA)
pelan
18,5
pelan
9,0
cepat
44,3
cepat
31,7
pelan
27,2
pelan
42,0
cepat
76,3
cepat
58,3
500
1000
D. Pembahasan Analisis
Semakin cepat gerakan magnet maka semakin besar juga arus (I) yang dihasilkan.
Semakin banyak lilitan pada kumparan maka semakin besar juga arus (I) yang dihasilkan.
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak dan menyebabkan medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya.
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke luar kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang banyak dan menyebabkan medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya.
E. Kesimpulan Jadi menurut hasil percobaan dan pengamatan yang kami lakukan dan berdasarkan teori yang kami dapatkan, dapat disimpulkan bahwa yang merupakan faktor yang mempengaruhi GGL Induksi, yaitu:
Kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik),
Jumlah lilitan
Medan magnet
Bab II Transformator A. Pendahuluan Setelah melakukan percobaan ini mahasiswa diharapkan memahami cara kerja sebuah trafo. B. Teori Dasar Prinsip Keja Transformator Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder. Prinsip
kerja
dari
sebuah
transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance). Pada skema transformator di samping, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.
Hubungan Primer-Sekunder
Gambar Fluks pada transformator Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer adalah
dan rumus untuk GGL induksi yang terjadi di lilitan sekunder adalah
Karena
kedua
kumparan
dihubungkan
dengan
fluks
yang
sama,
maka
dimana dengan menyusun ulang persamaan akan didapat
sedemikian hingga.
Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.
Kerugian dalam transformator Perhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu: 1. Kerugian tembaga. Kerugian
dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh
resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya. 2. Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis antara primer dan sekunder. 3. Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat memengaruhi efisiensi transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding) 4. Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah. Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi rendah. 5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa. 6. Kerugian arus eddy (arus olak). Kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapislapisan.
Efisiensi Efisiensi transformator dapat diketahui dengan rumus
Karena adanya kerugian pada transformator. Maka efisiensi transformator tidak dapat mencapai 100%. Untuk transformator daya frekuensi rendah, efisiensi bisa mencapai 98%. Jenis-jenis transformator Step-Up
lambang transformator step-up Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh. Step-Down
skema transformator step-down Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.
C. Percobaan dan Data 1. Prosedur Percobaan Persiapan percobaan a. Siapkan alat-alat sesuai daftar. b. Susun rangkaian
Pasang rangkaian 500 liliitan pada salah satu sisi inti U dan kumparan 1000 lilitan pada sisi yang lain. Kumparan 500 lilitan menjadi kumparan primer.
Tutup inti U dengan inti I, kemudian kencangkan dengan baut pengencang yang tersedia.
Hubungkan saklar dengan kumparan primer. Pastikan saklar tersebut dalam keadaan terbuka.
Gunakan kedua buah multimeter digital sebagai voltmeter dengan batas ukur 20V AC.
c. Pilih tegangan keluaran catu daya 2V AC. d. Periksa kembali rangkaian yang sudah anda buat. Langkah-langkah percobaan a. Nyalakan catu daya. b. Tutup saklar, kemudian baca tegangan kumparan primer dan sekunder pada voltmeter. Catat hasilnya pada tabel 2.1. c. Buka kembali saklar. d. Ulangi langkah a dan b dengan tegangan masukan 4V dan 6V secara berurutan. e. Buka kembali saklar. f. Tukar posisi kumparan (kumparan 1000 lilitan menjadi kumparan primer). g. Ulangi langkah a dan b dengan tegangan masukan 8V,10V dan 12V AC secara berurutan.
2. Data Percobaan Tabel 2.1 Tegangan Jumlah Lilitan
VP
VS
(V)
(V)
Catu
Kumparan
Kumparan
Daya (V)
Primer (NP)
Sekunder (NS)
1
2
3
4
5
6
7
2
500
1000
0.94
2.21
0.5
0.425339
4
500
1000
1.9
4.38
0.5
0.43379
6
500
1000
2.89
6.56
0.5
0.440549
8
1000
500
16.32
8.74
2
1.867277
10
1000
500
20.6
10.92
2
1.886447
12
1000
500
24.9
13.08
2
1.90367
D. Pembahasan
Pada Np = 500 lilitan dan Ns = 1000 lilitan dapat diperoleh:
Jadi,
dan
Nilai
dan
adalah hampir sama.
Pada Np = 1000 lilitan dan Ns = 500 lilitan dapat diperoleh:
Jadi,
dan
Nilai
dan
adalah
hampir
sama.
Sehingga analisis yang dapat saya peroleh bahwa
Karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama.
Hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.
E. Kesimpulan Menurut hasil percobaan dan pengamatan yang saya lakukan dapat disimpulkan bahwa :
Hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.
Nilai perbandingan tegangan primer dengan sekunder sama dengan nilai perbandingan jumlah lilitan primer dan lilitan sekunder yang disebabkan karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama.
Reaktansi Induktif I.
Pendahuluan Setelah melakukan percobaan ini mahasiswa diharapkan memahami konsep reaktansi induktif dan dapat menentukan induktansi sebuah induktor pada frekuensi yang diberikan.
II. Teori Dasar Berbeda dengan rangkaian AC resitif dimana arus dan tegangan se-phasa, pada rangkaian AC induktif phasa tegangan mendahului 90° terhadap arus. Jika digambarkan diagram phasor-nya maka arus mengarah ke sumbu „X‟ positif (kanan) dan tegangan mengarah ke sumbu „Y‟ positif (atas) seperti yang diilustrasikan oleh gambar.
Hambatan aliran elektron ketika melewati induktor pada rangkaian AC disebut sebagai „Reaktansi Induktif‟, reaktansi dihitung dalam satuan Ohm (Ω) sama hal-nya seperti resistansi. Simbol reaktansi induktif adalah 'XL', pada rangkaian AC sederhana, reaktansi induktif dapat dihitung menggunakan persamaan berikut. XL = 2 ∙ π ∙ f ∙ L Dimana : XL = Reaktansi induktif (Ohm / Ω) π= Pi ≈ 3,14 f= Frekuensi (Hertz / Hz) L= Induktansi (Henry / H)
Reaktansi induktif berbanding lurus terhadap frekuensi, jika frekuensi meningkat maka reaktansi induktif juga akan meningkat atau membesar dan begitu juga sebaliknya.
Karakteristik disipasi daya induktor pada rangkaian AC diperlihatkan oleh kurva hijau di atas. Tidak seperti pada resistor dimana resistor selalu ter-disipasi daya dan kelebihan energi-nya dilepaskan dalam bentuk energi panas, induktor pada rangkaian AC tidak ter-disipasi daya dengan kata lain disipasi daya induktor pada rangkaian AC sama dengan „0‟ (Nol). Mengapa demikian karena pada saat disipasi daya induktor bernilai positif, daya ini diserap oleh induktor tetapi ketika daya disipasi induktor bernilai negatif, daya disalurkan ke rangkaian. Karena disipasi daya yang diserap dan disalurkan sama besar maka disipasi daya pada induktor sama dengan „0‟ (Nol). Ini berlaku hanya pada induktor ideal (R induktor = 0Ω).
Gambar 1. Kumparan yang dialiri listrik DC Jika suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik AC, maka yang berpengaruh pada rangkaian tersebut tidak hanya hamabatan ohmik tetapi juga hambatan yang muncul dari kumparan (reaktansi induktif). Nilai reaktansi induktif bergantung pada besarnya induksi diri kumparan. Reaktansi induktor/kumparan, banyak difungsikan pada rangkaian-rangkaian elektronik.
(a)
(b)
Gambar 2. Rangkaian penentuan induksi diri (L) Pada rangkaian di atas berlaku hukum Ohm untuk rangkaian tertutup yaitu V=IZ Dengan Z adalah reaktansi induktor, V dan I merupakan nilai efektif dari tegangan dan kuat arus. Induksi diri dari subuah kumparan adalah besarnya GGL imbas yang timbul jika ada perubahan arus sebesar 1 A, fluks magnetik yang dihasilkan oleh kumparan itu sendiri. Induktansi diri berharga 1 henry bila pada kumparan timbul GGL induksi sebesar 1 volt dengan perubahan kuat arusnya 1 ampere tiap detik. Besarnya induktansi diri dari sebuah kumparan dengan N lilitan: L
N dan X L 2fL i
III. Percobaan dan Data 3.1.Prosedur Percobaan Persiapan Percobaan a. Siapkan alat-alat sesuai daftar. b. Susun rangkaian sesuai dengan skema. o Kumparan 500 lilitan terpasang pada inti tertutup, yaitu inti U yang ditutup dengan inti I kemudian dikencangkan dengan baut pengencang. o Pastikan catu daya dalam keadaaan mati. Pilih keluarannya 12V AC. o Pastikan saklar dalam keadaan tebuka.
o Gunakan satu buah mutimeter sebagai voltmeter dengan batas ukur 20V AC dan yang lainnya sebagai ammeter dengan batas ukur 20V AC dan yang lainnya sebagai ammeter dengan batas ukur 200mA AC. c. Periksa kembali rangkaian yang telah anda buat. Langkah-langkah percobaan a. Nyalakan catu daya. b. Tutup saklar, kemudian baca tegangan induktor (kumparan) pada voltmeter dan arus yang melaluinya pada ammeter. Catat pada tabel 1.1 c. Buka saklar rangkaian. d. Ganti kumparan 500 lilitan dengan kumparan 1000 lilitan. Kemudian lakukan langkah b. 3.2.Data Percobaan Tabel 1.1 V(V)
I(A)
XL(Ω)
500
13,04
0,0818
159,41
1000
13,04
0,0239
545,60
Kumparan (lilitan)
IV. Pembahasan
Pada kumparan 500 lilitan
Pada kumparan 1000 lilitan
Persamaan (1) L
N i
Persamaan (2)
X L 2fL Sehingga
Substitusikan persamaan (1) dan (2) L
N i
XL ∞ N Maka reaktansi induktif berbanding lurus dengan jumlah lilitan (kumparan). Dari perhitungan di atas, kita dapat menganalisis bahwa :
Semakin banyak jumlah lilitan pada suatu kumparan maka semakin besar juga reaktansi induktif yang dihasilkan dan begitu juga sebaliknya semakin sedikit jumlah lilitan pada suatu kumparan maka semakin kecil juga reaktansi induktif yang dihasikan.
Besar tegangan dan arus sangat berpengaruh terhadap reaktansi induktif.
Semakin besar arus maka reaktansi induktif akan semakin kecil.
V. Kesimpulan Menurut hasil percobaan dan pengamatan yang saya lakukan, dapat disimpulkan bahwa :
Reaktansi induktif berbanding lurus dengan jumlah lilitan (kumparan), sehingga semakin banyak jumlah lilitan maka semakin besar reaktansi induktifnya dan begitu juga sebaliknya.
Reaktansi induktif berbanding lurus terhadap frekuensi, jika frekuensi meningkat maka reaktansi induktif juga akan meningkat atau membesar dan begitu juga sebaliknya.
Daftar Pustaka
Mulyadi, Memet. (2009). “Induksi Elektromagnetik”. [online]. Tersedia: http://memetmulyadi.wordpress.com/2009/02/06/induksi-elektromagnetik-materi-ipakelas-9-smpmts/ yang direkam pada 6 februari 2009 [25 Mei 2011]. Tn.
(2010). “Prinsip Kerja Transformator”. [online]. Tersedia: http://www.edukasi.net/index.php?mod=script&cmd=Bahan%20Belajar/Materi%20Pokok/view&id= 68 yang direkam pada 2010 [25 Mei 2010].
Tn. (2011). “Transformator”. [online]. Tersedia: http://id.wikipedia.org/wiki/Transformator yang direkam pada 26 April 2011 20:48 [25 Mei 2011].
Daftar Pustaka
Kuncoro, Bayu. (2010). “Reaktansi Induktif - Reaktansi Kapasitif – Impedansi”. [online]. Tersedia: http://ilmu-elektronika.co.cc/index.php/arus-bolak-balik-ac/reaktansi-induktifreaktansi-kapasitif-impedansi.html yang direkam pada 21 May 2010 06:29 [25 Mei 2010].