Induksi Elektromagnetik & Induksi Diri


Elektromagnetik

Listrik dalam era industri merupakan keperluan yang  sangat  vital.Dengan  adanya transformator, keperluan  listrik  pada  tegangan  yang  sesuai  dapat terpenuhi. Dahulu untuk membawa  listrik diperlukan kuda.  Kuda   (pada   gambar)   sedang  membawa pembangkit  listrik  untuk  penerangan  lapangan  ski. Seandainya  transformator  belum  ditemukan,  berapa ekor  kuda  yang diperlukan untuk penerangan  sebuah kota? Fenomena pemindahan listrik akan kamu pelajari pada  bab  ini.  Pada  bab  ini  kamu  akan  mempelajari pemanfaatan kemagnetan dalam produk  teknologi.

Pretest

1.  Bagaimanakah cara membuat elektromagnetik?
2.  Apakah kegunaan galvanometer?
3.  Berilah contoh alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik !

Kata-Kata Kunci

–  arus induksi
–   generator
–  dinamo
–  GGL  induksi
–  efisiensi transformator
–  transformator
–  fluks magnetik
–  transmisi daya listrik

Adakah  pusat  pembangkit  listrik  di  dekat  rumahmu?  Pembangkit  listrik  biasanya  terletak  jauh  dari  permukiman  penduduk. Untuk  membawa  energi  listrik,  atau  lebih  dikenal  transmisi  daya listrik, diperlukan kabel yang sangat panjang. Kabel yang demikian dapat menurunkan tegangan. Karena itu diperlukan alat yang dapat menaikkan  kembali  tegangan  sesuai  keperluan.  Pernahkah   kamu melihat tabung berwarna biru yang dipasang pada tiang listrik? Alat tersebut adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan  tegangan. Bagaimanakah  cara menaikkan  dan menurunkan  tegangan  listrik?  Untuk  memahami  hal  ini  pelajari  uraian berikut.

A. GGL INDUKSI

Pada bab sebelumnya, kamu sudah mengetahui bahwa kelistrikan dapat menghasilkan kemagnetan. Menurutmu, dapatkah kemagnetan menimbulkan kelistrikan? 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   dapat menimbulkan  arus  listrik  (artinya  magnet  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.

1.   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.  Coba  sebutkan  bagaimana  cara  memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi?

2.   Faktor yang Memengaruhi 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. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Ada  tiga  faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu : a.   kecepatan  gerakan  magnet  atau  kecepatan  perubahan  jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik), b.   jumlah lilitan, c.   medan magnet

Latihan

1.   Apakah  penyebab  terjadinya  GGL  induksi?
2.   Mengapa magnet  yang  diam  di  dalam kumparan   tidak   menimbulkan   GGL induksi? 3.   Apakah perubahan bentuk energi yang terjadi  pada  peristiwa  induksi  elektromagnetik?
4.   Sebutkan  tiga  cara  memperbesar  arus induksi.

B.  PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan  atau  magnet  yang  berputar  menyebabkan  terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan  tersebut  menyebabkan  terjadinya  GGL  induksi  pada kumparan.  Energi  mekanik  yang  diberikan  generator  dan  dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal  itu menyebabkan GGL  induksi  dihasilkan  secara  terus-menerus  dengan  pola  yang berulang secara periodik

1.   Generator Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator  DC  memutar  kumparan  di  dalam  medan  magnet  tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa  arus  bolak-balik.  Ciri  generator  AC  menggunakan  cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri  generator  DC  menggunakan  cincin  belah  (komutator).  Jadi, generator  AC  dapat  diubah  menjadi  generator  DC  dengan  cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah  generator  AC  kumparan  berputar   di  antara  kutub- kutub  yang  tak  sejenis  dari  dua  magnet  yang  saling  berhadapan. Kedua  kutub  magnet  akan  menimbulkan  medan  magnet.  Kedua ujung  kumparan  dihubungkan  dengan  sikat  karbon  yang  terdapat pada  setiap  cincin.  Kumparan  merupakan  bagian  generator  yang berputar  (bergerak) disebut  rotor. Magnet  tetap merupakan bagian generator   yang   tidak   bergerak   disebut   stator.   Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk  sudut  0 derajat),  belum  terjadi  arus  listrik  dan  tidak  terjadi GGL induksi  (perhatikan  Gambar  12.2).  Pada  saat  kumparan  berputar perlahan-lahan,  arus  dan  GGL  beranjak  naik  sampai  kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.

Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi  dengan  arah  yang  berlawanan.  Pada  saat  membentuk  sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai  maksimum  lagi,  namun  arahnya  berbeda.  Putaran  kumparan selanjutnya,  arus  dan  tegangan  turun  perlahanlahan  hingga  mencapai  nol  dan  kumparan  kembali  ke  posisi  semula  hingga  memb entuk sudut 360 derajat.

2. Dinamo Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator.

Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi  dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

C.   TRANSFORMATOR

Di rumah mungkin kamu pernah dihadapkan persoalan tegangan listrik, ketika kamu akan menghidupkan radio yang memerlukan tegangan 6 V atau 12 V. Padahal tegangan listrik yang disediakan PLN 220 V. Bahkan generator pembangkit listrik menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Kenyataannya sampai di rumah tegangan listrik tinggal 220 V. Bagaimanakah cara mengubah tegangan listrik? Alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC disebut transformator (trafo). Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output. Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output. Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Adapun, arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder.

Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output).

1. Macam-Macam Transformator

Apabila tegangan terminal output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penurun tegangan.  Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.
Trafo  step up adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder,
b. tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih besar daripada kuat arus sekunder.
Trafo step down adalah transformator yang berfungsi untuk menurunkan  tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder,

b. tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.

2. Transformator Ideal

Besar tegangan dan kuat arus pada trafo bergantung banyaknya lilitan. Besar tegangan sebanding dengan jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan tegangan yang dihasilkan makin besar. Hal ini berlaku untuk lilitan primer dan sekunder. Hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan tegangan primer dan tegangan sekunder dirumuskan Trafo dikatakan ideal jika tidak ada energi yang hilang menjadi kalor, yaitu ketika jumlah energi yang masuk pada kumparan primer sama dengan jumlah energi yang keluar pada kumparan sekunder. Hubungan antara tegangan dengan kuat arus  pada kumparan primer dan sekunder dirumuskan Jika kedua ruas dibagi dengan t, diperoleh rumus Dalam hal ini faktor (V  ×  I) adalah daya (P) transformator.
Berdasarkan rumus-rumus di atas, hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan kuat arus primer dan sekunder dapat dirumuskan sebagai Dengan demikian untuk transformator ideal akan berlaku persamaan berikut. Dengan:
Vp = tegangan primer (tegangan input = Vi ) dengan satuan volt (V)
Vs = tegangan sekunder (tegangan output = Vo) dengan satuan volt (V)
Np = jumlah lilitan  primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Ip = kuat arus primer (kuat arus input = Ii) dengan satuan ampere (A)
Is = kuat arus sekunder (kuat arus output = Io) dengan satuan ampere (A)

LATIHAN

1. Sebuah trafo digunakan untuk menaikkan tegangan AC dari 12 V menjaDI 120 V. Hitunglah:
a. kuat arus primer jika kuat arus sekunder 0,6 A,
b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 300.

2. Sebuah transformator dihubungkan dengan PLN pada tegangan 100 V menyebabkan kuat arus pada kumparan primer 10 A. Jika perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder 1 : 25, hitunglah:
a. tegangan pada kumparan sekunder,
b. kuat arus pada kumparan sekunder.

3. Efisiensi Transformator
Di bagian sebelumnya kamu sudah mempelajari transformator atau trafo yang ideal. Namun, pada kenyataannya trafo tidak pernah ideal. Jika trafo digunakan, selalu timbul energi kalor. Dengan demikian, energi listrik yang masuk pada kumparan primer selalu lebih besar daripada energi yang keluar pada kumparan sekunder. Akibatnya, daya primer lebih besar daripada daya sekunder. Berkurangnya daya dan energi listrik pada sebuah trafo ditentukan oleh besarnya efisiensi trafo. Perbandingan antara daya sekunder dengan daya primer atau hasil bagi antara energi sekunder dengan energi primer yang dinyatakan dengan persen disebut efisiensi trafo. Efisiensi trafo dinyatakan dengan η . Besar efisiensi trafo dapat dirumuskan sebagai berikut.

LATIHAN

  1. Sebuah trafo arus primer dan sekundernya masing-masing 0,8 A dan 0,5 A. Jika jumlah
    lilitan primer dan sekunder masing-masing 1000 dan 800, berapakah efisiensi trafo?
  1. Efisiensi sebuah trafo 60%. Jika energi listrik yang dikeluarkan 300 J, berapakah energi listrik yang masuk trafo?

SOAL LATIHAN

1. Tegangan  primer dan sekunder sebuah trafo masing-masing 10 V dan 200 V. Jika jumlah lilitan sekunder 6.000, berapakah jumlah lilitan primer?
2. Sebuah trafo step down digunakan untuk mengubah tegangan AC dari 220 V menjadi 20 V. Berapakah:
a. perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder;
b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 100?
3. Manakah yang lebih bagus kualitasnya trafo A efisiensinya 85% dan trafo B yang efisiensinya 90%? Mengapa? Coba jelaskan.

4. Penggunaan  Transformator

Banyak peralatan listrik di rumah yang menggunakan transformator step down. Trafo tersebut berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik PLN yang besarnya 220 V menjadi tegangan lebih rendah sesuai dengan kebutuhan. Sebelum masuk rangkaian elektronik pada alat, tegangan 220 V dari PLN dihubungkan dengan trafo step down terlebih dahulu untuk diturunkan. Misalnya kebutuhan peralatan listrik 25 V. Jika alat itu langsung dihubungkan dengan PLN, alat itu akan rusak atau terbakar. Namun, apabila alat itu dipasang trafo step down yang mampu mengubah tegangan 220 V menjadi 25 V, alat itu akan terhindar dari kerusakan. Ada beberapa alat yang menggunakan transformator antara lain catu daya, adaptor, dan transmisi daya listrik jarak jauh.

a. Power supply (catu daya)
Catu daya merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan tegangan AC yang rendah. Catu daya menggunakan trafo step down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan 220 V menjadi beberapa tegangan AC yang besarnya antara 2 V sampai 12 V

b.  Adaptor (penyearah arus)
Adaptor terdiri atas trafo step down dan rangkaian penyearah arus listrik yang berupa diode. Adaptor merupakan catu daya yang ditambah dengan penyearah arus. Fungsi penyearah arus adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.

c. Transmisi daya listrik jarak jauh
Pembangkit listrik biasanya dibangun jauh dari permukiman penduduk. Proses pengiriman daya listrik kepada pelanggan listrik (konsumen) yang jaraknya jauh disebut transmisi daya listrik jarak jauh. Untuk menyalurkan energi listrik ke konsumen yang jauh, tegangan yang dihasilkan generator pembangkit listrik perlu dinaikkan mencapai ratusan ribu volt. Untuk itu, diperlukan trafo step up. Tegangan tinggi ditransmisikan melalui kabel jaringan listrik yang panjang menuju konsumen. Sebelum masuk ke rumah-rumah penduduk tegangan diturunkan menggunakan trafo step down hingga menghasilkan 220 V. Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan besar dan arus yang kecil. Dengan cara itu akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah.

SOAL LATIHAN

1. Apakah perbedaan antara catu daya dengan adaptor?
2. Mengapa transmisi daya listrik jarak jauh menggunakan trafo?

RANGKUMAN

1. Menurut Faraday, adanya perubahan medan magnet pada suatu kumparan dapat menimbulkan gaya gerak listrik.
2. Besar GGL induksi bergantung pada tiga faktor, yaitu
a. kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet,
b. jumlah lilitan,
c. kuat medan magnet.
3. Arah arus induksi dalam kumparan selalu sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang menentang sebab-sebab yang menimbulkannya.
4. Induksi elektromagnetik diterapkan pada: generator, dinamo, dan trafo.
5. Fungsi generator atau dinamo adalah untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik.
6. Fungsi transformator atau trafo adalah menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Untuk menaikkan tegangan listrik digunakan trafo step-up, sedangkan untuk menurunkan tegangan listrik digunakan trafo step-down.
7. Pada transformator ideal berlaku rumus

8. Untuk transformator yang tidak ideal berlaku rumus efisiensi

9. Transformator digunakan pada catu daya, adaptor, dan instalasi transmisi daya listrik jarak jauh
10. Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan yang besar dan arus yang kecil. Dengan cara ini akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah

A. Induksi Diri

Pengubahan kuat arus yang melewati suatu penghantar mengubah medan magnet

di sekeliling penghantar itu sehingga terjadi induksi terhadap pengantar itu sendiri.

Induksi ini disebut induksi diri.

Besarnya induksi diri tergantung dari kecepatan perubahan kuat arus ∆I ∕ ∆t,

bentuk, dan ukuran penghantar, serta zat yang terdapat di sekitar penghantar itu.

Induksi diri akan lebih terasa gejalanya pada penghantar berbentuk kumparan

dibandingkan dengan penghantar lurus. Perhatikan gejala pada gambar 6.8!

Jika saklar S ditutup, lampu P akan menyala. Namun jika saklar S dibuka, arus

berhenti mengalir. Ternyata lampu P dalam rangkaian itu dapat menyala beberapa saat,

baru kemudian padam. Hal itu menunjukkan bahwa pada saat aliran diputus, timbul suatu

arus yang masih menyalakan lampu. Arus tersebut disebut arus induksi.

Pada saat arus diputus, garis gaya magnetic di kumparan L menghilang.

Akibatnya, di L terjadi perubahan jumlah garis gaya dari ada menjadi nol. Hal itu

menimbulkan arus induksi sehingga lampu P masih dapat menyala. Memutuskan suatu

arus dapat juga diartikan sebagai usaha untuk mengadakan perubahan kuat arus.

Arus induksi yang menyalakan lampu P tersebut adalah arus induksi yang timbul

karrena terjadinya perubahan kuat arus dalam penghantar itu. Besarnya ggl arus induksi

sendiri (єs) berbanding lurus dengan cepat perubahan kuat arus ∆I ∕ ∆t, dinyatakan dengan

rumus sebagai berikut.

єs = -L∆I ∕ ∆t

Keterangan:

Єs = ggl induksi sendiri (V)

L = koefisien induksi diri (H)

∆I ∕ ∆t = cepat perubahan kuat arus (A/s)

Definisi

Koefisien induksi diri adalah perbandingan antara ggl yang terjadi dalam suatu

penghantar dengan laju perubahan kuat arus.

Satuan

Satuan koefisien induksi diri adalah henry (H).

“Satu henry ialah koefisien induksi diri suatu penghantar, di mana timbul ggl 1 volt karena perubahan kuat arus 1 ampere tiap sekon.” Besarnya induksi diri suatu kumparan dirumuskan sebagai berikut.

Єi= Єs

dΦ -N = -L di dt

dt N dΦ = L dl

Bila diintegralkan, N Φ =L i

NΦ L= I

Keterangan:

L = induktansi kumparan (H)

N = jumlah lilitan kumparan

Φ = fluks magnetic di dalam kumparan (weber atau wb)

i = kuat arus (A)

Induktansi Diri Toroida dan Solenoida Toroida adalah solenoida yang dilengkungkan sehingga membentuk lingkaran. Harga L untuk kedua susunan itu memiliki rumus yang sama, yang ditentukan sebagai berikut.

Misalkan suatu toroida atau solenoid jumlah lilitan = N, dengan panjang l dialiri arus I, rapat fluks magnetic di dalam kumparan B, adalah

μ0 iN B = l

Fluks magnetik total di dalam kumparan dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut.

Φ = BA

Faktor A menyatakan luas penampang kumparan (m2).

μ0 iN

Φ = Al Karena ,

N Φ L = maka, I N (μ0 i N) A L = i.l

//

B. Induksi Diri

A L B I=Imsinω t

Gambar 6.5

Rangkaian induktor dengan sumber arus bolak-balik.

1. Induktor

Masih ingat dengan solenoida ? Solenoida itulah yang dinamakan juga induktor. Pada Gambar 6.5 dapat kalian perhatikan rangkaian yang terdiri dari induktor dan sumber tegangan. Jika sumber tegangan yang digunakan adalah arus yang berubah ( arus AC) maka pada induktor itu akan terjadi perubahan induksi magnet (perubahan fluks). Dari perubahan itulah dapat menimbulkan beda potensial di titik A dan B. Ggl induksi yang disebabkan oleh dirinya sendiri ini disebut induksi diri. Perubahanfl uks magnetik pada kumparan diakibatkan oleh perubahan arus yang mengalir pada induktor. Besarnya sebanding dengan perubahan arus listrik tersebut. Pembandingnya disimbulkan L sehingga dapat diperoleh hubungan berikut.

ε=-L …………………………… (6.5)

dengan :ε = ggl induksi diri (volt)

L = induktansi diri induktor ( henry )

:ε = perubahan kuat arus tiap satu satuan waktu

Persamaan 6.5 diturunkan dari hukum Faraday

tetapi perumusannya sesuai dengan perumusan Joseph Henry (1757-1878) seorang Fisikawan Amerika. Tetapi Henry terlambat mempublikasikan. Untuk penghargaan namanya dijadikan satuan induktansi induktor.

Untuk induktor yang berbentuk solenoida, induktansi induktornya dapat memenuhi persamaan berikut.

L= ………………………………… (6.6)

dengan : L = induktansi diri induktor ( henry )

N = jumlah lilitan

A = luas penampang induktor (m2)

l = panjang induktor (m)

μ0 = 4π.10-7 Wb.A-1.m-1

//

Imbas Elektromagnetik

99

Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut.

CONTOH 6.4

Solenoida memiliki panjang 5π cm dan lilitan 3000. Luas penampang 4 cm2. Solenoida dialiri arus yang berubah dari 12 A menjadi 8 A dalam waktu 0,05

detik maka tentukan beda potensial yang timbul pada ujung-ujung solenoida ?

Penyelesaian

l= 5πcm = 5π. 10−2m

N = 3000

A = 4cm2 = 4.10-4m2

Δi1 = 8 – 12 = 6 A

Δt = 0,05 detik

Induktansi induktor solenoida memenuhi :

L=0,26 H

Beda potensial yang terjadi di ujung-ujung solenoida sebesar :

ε= −L

= − 0,26

= 31,2 volt

Sebuah induktor berbentuk solenoida panjangnya 20π cm dibuat dengan melilitkan 1000 lilitan dan luas penampang 2 cm2. Jika induktor tersebut dialiri arus yang berubah dari 8 A menjadi 2 A dalam waktu 10 ms maka tentukan :

a. induktansi induktor,

b. ggl induksi yang timbul pada induktor ?

2. Transformator

Kalian tentu sudah mengenal transformator. Di SMP kalian telah dikenalkan alat yang sering disebut trafo saja ini. Transformator dirancang dari dua kumparan untuk dapat menimbulkan induksi timbal balik. Perhatikan Gambar 6.6. Manfaat trafo adalah untuk mengubah besarnya tegangan arus bolak-balik. Jika pada kumparan primernya dialiri arus bolak-balik.

Fisika SMA Kelas XII

100

lilitan primer ( Np )

lilitan sekunder ( Ns )

Ip Vp Vs Is lampu

Gambar 6.6

Tranformator memiliki dua komponen.

maka pada trafo akan terjadi induksi timbal balik dan akan timbul arus induksi pada kumparan skundernya. Kuat arus dan tegangan yang dihasilkan tergantung pada jumlah lilitannya. Trafo yang menaikan tegangan (step up) memiliki kumparan skunder lebih banyak sedangkan trafo penurun tegangan (step down) memiliki kumparan primer lebih banyak. Pada trafo ini berlaku hubungan sebagai berikut.

η= x 100 % …………………………. (6.7)

dengan : Vp = tegangan primer (volt)

Vs = tegangan sekunder (volt)

PP= daya primer (watt)

Ps= daya sekunder (watt)

η = efi siensi trafo (%)

CONTOH 6.5

Sebuah trafo memiliki efi siensi 80%. Jumlah kumparan primernya 2000 lilitan sedang lilitan skundernya 1000 lilitan. Kumparan primernya dihubungkan pada sumber tegangan 220 volt. Jika saat diukur bagian skundernya mampu mengeluarkan arus 4 A maka tentukan :

a. tegangan pada kumparan skundernya,

b. kuat arus pada kumparan primernya !

Penyelesaian

η = 80 %

Np = 2000 dan Ns = 1000

//

Imbas Elektromagnetik101

Setelah memahami contoh di atas dapat kalian

coba soal berikut.

LATIHAN 6.2

Vp = 220 volt dan Is = 4 A

a. Tegangan skundernya memenuhi :

b. Kuat arus primer dapat ditentukan dari persamaan

efi siensi trafo sebagai berikut.

η.VpIp= VsIs

Ip = 2,5 A

Sebuah transformator mempunyai kumparan primer

200 lilitan dan skunder 800 lilitan. Jika arus skunder

3 A, tegangan primer 200 V dan efi siensi 75 %, maka

berapakah :

a. tegangan skundernya,

b. arus primernya,

c. da

ya yang hilang ?

1. Suatu kumparan dengan 600 lilitan

dan induktansi diri 40 mH mengalami

perubahan arus listrik dari 10 ampere

menjadi 4 ampere dalam waktu 0,1

detik. Berapakah beda potensial

antara ujung-ujung kumparan yang

diakibatkannya ?

2. Kumparan dengan 1000 lilitan

diletakkan mengitari pusat

solenoida yang panjangnya p m,

luas penampangnya 2.10-3m2, dan

solenoida terdiri atas 50.000 lilitan.

Solenoida dialiri arus 10 A. Bila arus

dalam solenoida diputus dalam waktu

0,1 detik, maka tentukan:

a. Induktansi induktornya,

b. ggl induksi ujung-ujung kumparan !

3. Kuat arus listrik dalam suatu

rangkaian tiba-tiba turun dari 10 A

menjadi 2 A dalam waktu 0,1 detik.

Selama peristiwa ini terjadi, timbul

GGL induksi sebesar 32 V dalam

rangkaian.

Hitunglah induktansi rangkaian !

4. Kita ingin mengubah tegangan AC 220

volt menjadi 110 volt dengan suatu

transformator. Tegangan 220 volt

tadi dihubungkan dengan kumparan

primer yang mempunyai 1000 lilitan.

Berapakah kumparan skundernya ?

5. Sebuah transformator step-up

mengubah tegangan 20 volt menjadi

220 volt. Bila efi siensi travo 80 % dan

kumparan skundernya dihubungkan

dengan lampu 220 volt, 80 watt,

berapakah kuat arus yang mengalir

pada kumparan primer ?

6. Sebuah toroida ideal, hampa,

mempunyai 1000 lilitan dan jari-jari

rata-ratanya 0,5 m. Kumparan yang

terdiri atas 5 lilitan dililitkan pada

toroida 2 x 10-3m2 dan arus listrik

pada kawat toroida berubah dari 7 A

menjadi 9 A dalam satu detik maka

tentukan g.g.l. imbas yang timbul

pada kumparan !

μ0 N2A

L =

l

Karena adanya induksi diri, arus yang mulai dialirkan lewat solenoida

atau kumparan tidak dapat langsung mencapai harga stasionernya. Sebaliknya, pada

saat dihentikan, arus tidak langsung berhenti.

Koefisien induksi diri antara lain digunakan untuk mengadakan suatu

redaman elektromagnetik.

B. Induksi Silang (Induktansi Timbal Balik)

Pada gambar , rangkaian kumparan primer P dilengkapi dengan tahanan geser R dan

baterai elemen E, sedangkan rangkaian kumparan sekunder S dilengkapi dengan

galvanometer G.

Jika pada rangkaian P terjadi perubahan kuat arus hingga menyebabkan perubahan fluks

magnetik di kumparan P, maka fluks magnetik yang dilingkungi kumparan S juga

berubah. Menurut Faraday, pada rangkaian kumparas S akan timbul ggl induksi. Gejala

ini disebut induksi timbal balik.

Jika jumlah lilitan kumparan P dan S masing – masing N1 dan N2 dan perubahan fluks

magnetik di kumparan S ialah dΦ1 (karena pengubahan arus di kumparan 1 atau

kumparan P) dalam waktu dt, maka ggl induksi di kumparan S dapat dicari melalui

persamaan berikut.

//

dΦ1

Є2 = -N2

Dt

Jika perubahan arus selama dt pada kumparan P sebesar di1, analog rumus besarnya Є2 di

S dapat pula ditunjukkan oleh persamaan berikut.

di1

Є2 = -M

dt

Besaran M disebut koefisien timbal balik atau induktansi timbal balik.

Jika dalam waktu dt di titik S terjadi perubahan arus di2 , maka dapat menimbulkan

perubahan fluks magnetik di kumparan P, misalnya sebesar dΦ2. Sehingga, di titik P akan

terjadi ggl induksi sebesar.

dΦ2

Є1 = -N1

dt

Analog uraian di atas,

di2

Є1 = -M

dt

Jadi induktansi timbal balik dapat ditulis sebagai berikut.

Є2

Є1

M= -

= -

di1/ dt

di2/ dt

//

Rumus di atas dapat dipakai untuk mendefinisikan induktansi timbale balik 1 henry (H).

Suatu pasangan yang terdiri dari 2 kumparan akan mempunyai induktansi timbal balik

sebesar 1 henryjika perubahan kuat arus sebesar 1 ampere tiap 1 detik dari kumparan

yang satu akan menimbulkan ggl induksi sebesar 1 volt pada kumparan kedua.

Jika kita memperhatikan salah satu kumparan, misalnya kumparan sekunder (S),

dΦ1

di1

-N2

=- M

dt

dt

N2 dΦ1 = M di1

N2 Φ1

M =

i1

Dengan Φ1 menyatakan fluks yang menembus kumparan 2 yang berasal dari kumparan 1.

Dengan demikian, dapat ditunjukkan bahwa

N1 Φ2

M =

i2

dengan Φ2 menyatakan fluks yang menembus kumparan 1 yang berasal dari kumparan 2.

About these ads

4 pemikiran pada “Induksi Elektromagnetik & Induksi Diri

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s