MATERI FISIKA KELAS 9 : INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
gambar generator pembangkit listrik
Listrik merupakan salah satu energi yang sangat banyak dimanfaatkan oleh manusia untuk keperluan sehari-hari. Energi listrik ini dihasilkan dari generator listrik yang diputar dengan bantuan angin, air, panas bumi, uap, dll. contoh generator listrik tampak pada gambar di atas, ketika generator tersebut di putar maka akan menghasilkan energi listrik yang kemudian ditransmisikan ke rumah-rumah penduduk. Proses timbulnya energi listrik pada saat generator tersebut di putar termasuk dalam kajian ilmu fisika materi “induksi elektromagnetik”
Induksi elektromagnetik pertama kali diteliti oleh Michael Faraday (1791 – 1867). Pada tahun 1831 Michael Faraday menemukan bahwa timbul arus listrik ketika menggerakkan magnet keluar masuk kumparan, hasil penemuan ini berkebalikan dengan hasil penemuan Hans Christian Oersted di materi sebelumnya yang menyatakan adanya medan magnet disekitar kawat berarus. Berdasarkan hasil temuan kedua fisikawan tersebut kita dapat mengetahui bahwa:
Induksi elektromagnetik pertama kali diteliti oleh Michael Faraday (1791 – 1867). Pada tahun 1831 Michael Faraday menemukan bahwa timbul arus listrik ketika menggerakkan magnet keluar masuk kumparan, hasil penemuan ini berkebalikan dengan hasil penemuan Hans Christian Oersted di materi sebelumnya yang menyatakan adanya medan magnet disekitar kawat berarus. Berdasarkan hasil temuan kedua fisikawan tersebut kita dapat mengetahui bahwa:
- Medan magnet timbul di sekitar kawat berarus listrik (oleh Hans Christian Oersted)
- Arus listrik dapat timbul dengan mengubah medan magnet pada kumparan (Oleh Michael Faraday)
Pada kesempatan kali ini kita akan membahas lebih lanjut tentang induksi elektromagnetik (point ke dua)
Telah dijelaskan di atas, bahwa arus listrik dapat timbul jika terjadi perubahan medan magnet pada suatu kumparan peristiwa ini disebut dengan induksi elektromagnetik. Arus listrik yang timbul akibat peristiwa induksi elektromagnetik disebut dengan arus listrik induksi dan tegangan yang timbul akibat peristiwa induksi elektromagnetik disebut dengan GGL Induksi (Gaya Gerak Listrik Induksi). Perubahan medan magnet untuk menimbulkan induksi elektromagnetik ditandai dengan perubahan garis gaya magnet pada kumparan, untuk itu dapat dilakukan dengan beberapa cara yakni
- Menggerakkan magnet di sekitar kumparan
- Menggerakkan kumparan di sekitar magnet
- Mengubah besar arus listrik pada kumparan primer untuk menginduksi kumparan sekunder
Hukum Lens
Untuk mempelajari induksi elektromagnetik terlebih dahulu kita harus memahami konsep dari azaz Lens. Konsep ini pertama kali dikemukakan oleh fisikawan asal Rusia yang bernama lengkap Heinrich Friedrick Emil Lenz (1804 – 1865), ia mempelajari tentang induksi elektromagnetik dan mengemukakan hukum Lenz, yang berbunyi
“gaya gerak listrik induksi (GGL Induksi) yang timbul dalam suatu rangkaian sedemikian rupa sehingga menimbulkan arus induksi yang menimbulkan arah medan magnet induksi yang berlawanan arah dengan medan magnet utama”
Bunyi hukum Lenz di atas masih menggunakan kata-kata yang sedikit susah di pahami akan tetapi hukum lenz di atas memiliki karakteristik atau ciri-ciri ketika diterapkan suatu peristiwa induksi elektromagnetik yakni sebagai berikut:
- Gambar 2. Magnet digerakkan di sekitar kumparan (a) mendekati, (b) menjauhi
Gambar 2(a) menunjukkan ketika sebuah magnet digerakkan mendekati kumparan dengan kutub utara magnet lebih dekat ke kumparan, maka bagian kumparan yang dekat dengan magnet (sebelah kiri) akan menjadi kutub utara (sejenis dengan kutub magnet yang mendekatinya), sedangkan gambar 2(b) menunjukkan ketika sebuah magnet digerakkan menjauhi kumparan dengan kutub utara magnet lebih dekat ke kumparan, maka bagian kumparan yang dekat dengan magnet (sebelah kiri) akan menjadi kutub selatan (berlawanan jenis dengan kutub magnet yang menjauhinya).
Setelah mengetahui kutub utara – selatan pada kumparan, selanjutnya menentukan arah arus induksi (ditunjukkan dengan arah penyimpangan jarum galvanometer) dengan menggunakan kaidah tangan kanan, sebagai berikut:
- Ibu jari sebagai kutub utara
- 4 jari melengkung menunjukkan arah arus induksi
Pada gambar 2 di atas terlihat arah penyimpangan galvanometer sesuai dengan arah arus induksi yang mengalir dalam kumparan. Agar lebih memahaminya perhatikan contoh soal berikut
Contoh soal
Tentukan arah arus induksi pada gambar-gambar berikut:
pembahasan:
Tips:
Untuk menentukan arah arus listrik induksi pada galvanometer perhatikan arah arus induksi dan arah kumparannya.
Berdasarkan penjelasan di atas, maka dapat kita ketahui bahwa dengan percobaan Michael Faraday ada arus listrik induksi dan GGL induksi yang timbul jika terjadi perubahan medan magnet pada suatu kumparan dan dengan hukum lenz dan kaidah tangan kanan kita dapat mengetahui arah arus induksi pada kumparan tersebut. Selain itu faktor-faktor yang memicu timbulnya GGL Induksi antara lain: magnet, kumparan, dan gerakan sehingga hubungan ketiganya dengan GGL Induksi adalah
- GGL induksi sebanding dengan besarnya medan magnet
- GGL induksi sebanding dengan banyak kumparan
- GGL induksi sebanding dengan besarnya kecepatan
Semakin kuat magnet (medan magnet semakin besar) yang digunakan maka GGL induksinya semakin besar, begitu pula sebaliknya semakin lemah magnet (medan magnet semakin kecil) yang digunakan maka GGL Induksinya semakin kecil.
Semakin banyak lilitan kumparan yang digunakan maka GGL induksinya semakin besar, begitu pula sebaliknya semakin sedikit lilitan kumparan yang digunakan maka GGL Induksinya semakin kecil.
Semakin cepat gerakan magnetnya maka GGL induksinya semakin besar, begitu pula sebaliknya semakin lambat gerakan magnetnya maka GGL Induksinya semakin kecil.
Penerapan dalam alat teknologi
Konsep induksi elektromagnetik sangat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari karna dengan memahami penjelasan di atas pada dasarnya kita akan mengetahui bahwa pada peristiwa induksi elektromagnetik terjadi perubahan energi dari energi kinetik (energi gerak) menjadi energi listrik (induksi listrik dapat terjadi jika magnet digerakkan di sekitar kumparan atau sebaliknya). Oleh karena itu beberapa pemanfaatan induksi elektromagnetik ini berkaitan dengan energi kinetik dan energi listrik antara lain generator dan dinamo.
Generator
Generator merupakan alat yang digunakan untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator berasal dari berbagai sumber, seperti air, angin, uap, batu bara dll, biasanya generator ini digunakan pada pembangkit listrik. Terdapat dua macam generator yakni generator arus bolak-balik (AC) dan generator arus searah (DC) yang di gambarkan sebagai berikut.
Gambar 3. (a) generator arus bolak-balik, (b) generator arus searah
(sumber: holt physics)
Berdasarkan skema pada generator pada gambar 3 di atas, kita dapat mengetahui bahwa peristiwa induksi elektromagnetik pada generator disebabkan adanya kumparan yang bergerak di sekitar magnet (kumparan berputar di antara magnet kutub utara (N) dan magnet kutub selatan (S)). Kumparan yang berputar di sekitar magnet menyebabkan terjadinya perubahan medan magnet dialami kumparan, perubahan medan magnet ini yang menyebabkan timbulnya arus listrik induksi dan GGL Induksi.
Selain terdapat persamaan pada kedua generator, juga terdapat perbedaan antara generator arus bolak-balik dan generator arus searah yang terlihat pada gambar 3 di atas, yakni pada arus bolak-balik menggunakan cincin geser, sedangkan pada generator arus searah menggunakan cincin belah (disebut komutator) jadi untuk mengubah generator arus bolak-balik menjadi generator arus searah dapat dilakukan dengan cara mengganti cincin geser menjadi cincin belah atau sebaliknya untuk mengubah generator arus searah menjadi generator arus bolak-balik dapat dilakukan dengan cara mengganti cincin belah menjadi cincin geser.
Perbedaan lain dari generator arus bolak-balik dan generator arus searah juga terlihat dari grafik arus listrik yang dihasilkan oleh masing-masing generator yakni terlihat seperti pada gambar berikut.
Gambar 4. Grafik arus listrik (a) arus bolak-balik, (b) arus searah
(sumber : Ilmu pengetahuan alam SMP dan MTs kelas IX)
Grafik pada gambar 4 di atas merupakan grafik kuat arus listrik yang dihasilkan oleh generator baik generator arus bolak-balik (4a) maupun generator arus searah (4b). Pada gambar 4.a terlihat grafik naik turun bolak-balik melewati titik X sebagian bernilai positif dan sebagian bernilai negatif oleh karena itu arus yang seperti ini disebut dengan arus bolak-balik atau alternating current (AC) ysedangkan pada gambar 4.b terlihat bahwa grafik hanya berada di atas sumbu X atau selalu bernilai positif sehingga disebut arus searah atau direct current (DC).
Dinamo
Mirip dengan generator yakni mengubah energi kinetik menjadi energi listrik akan tetapi dinamo memiliki skala yang lebih kecil dan menghasilkan arus yang lebih kecil juga daripada generator. Dinamo sering kita lihat digunakan pada sepeda mini sebagai sumber listrik untuk lampu, seperti yang terlihat pada gambar berikut ini.
Gambar 5. Skema dinamo sepeda
Berdasarkan gambar 5 di atas terlihat bahwa ketika sepeda dikayuh maka dinamo akan berputar karena bergesekan dengan roda sepeda sehingga menimbulkan arus listrik induksi yang digunakan untuk menyalakan lampu sepeda. Perbedaan lainnya dengan generator terletak pada rotor dan statornya. Rotor adalah bagian yang bergerak dan stator adalah bagian yang diam, jika pada generator kumparan bergerak di sekitar magnet (kumparan sebagai rotor dan magnet sebagai stator) akan tetapi pada dinamo magnet yang berputar di sekitar kumparan (magnet sebagai rotor dan kumparan sebagai stator)
Transformator
Tranformator merupakan alat yang digunakan untuk mengubah nilai tegangan arus listrik bolak-balik (AC), berbeda dengan dua alat sebelumnya induksi elektromagnetik terjadi ketika mengubah energi kinetik menjadi energi listrik, para transformator induksi elektromagnetik terjadi dengan cara memutus dan menguhubungkan arus listrik bolak-balik pada kumparan primer sehingga menginduksi kumparan sekunder. Skema dari transformator dapat dilihat di bawah ini.
Gambar 6. Skema transformator
(sumber : Ilmu pengetahuan alam untuk siswa SMP dan MTs kelas IX)
Gambar 6 menunjukkan bagian-bagian transformator terdiri atas kumparan primer di sebelah kiri (sering juga disebut input atau masukan) yang dihubungkan ke sumber arus bolak-balik dan kumparan sekunder di sebelah kana (sering juga disebut output atau keluaran) yang dihubungkan ke peralatan elektronika. Kedua kumparan ini dihubungkan dengan inti magnetik yang terdiri atas beberapa lapis pelat besi. Pada saat arus pada kumparan primer di aliri arus listrik maka akan menginduksi pelat besi sehingga menjadi magnet, karena arus listrik yang digunakan adalah arus listrik bolak-balik (arus AC) yang nilainya berubah-ubah sehingga menyebabkan medan magnet pada inti besi juga berubah-ubah besarnya, perubahan medan magnet pada inti besi ini akan menginduksi kumparan sekunder sehingga pada kumparan sekunder timbul arus listrik induksi dan GGL induksi. besarnya GGL induksi pada kumparan sekunder ini dipengaruhi oleh perbandingan antara jumlah lilitan pada kumparan primer dan jumlah lilitan pada kumparan sekunder.
Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan lilitan sekunder, maka transformator dibedakan menjadi dua jenis yakni transformator stup up dan transformator step down, yang terlihat seperti gambar di bawah ini.
Gambar 7. Skema tranformator (a) step down, (b) step up
(sumber ; buku siswa ilmu pengetahuan alam SMP/MTs kelas IX)
Pada gambar 7 terlihat perbedaan antara transformator step down (gambar 7a) dan transformator step up (gambar 7b) yakni terletak pada jumlah lilitannya. Transformator step down memiliki jumlah lilitan kumparan primer yang lebih banyak daripada jumlah lilitan pada kumparan sekunder sehingga menyebabkan tegangan primernya lebih besar daripada tegangan sekunder, akan tetapi pada transformator step down memiliki jumlah lilitan pada kumparan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan pada kumparan sekunder sehingga menyebabkan tegangan primernya lebih kecil daripada tegangan sekundernya. Untuk lebih memahami perbedaan antara transformator step up dan transformator step down perhatikan tabel berikut.
Perbandingan antara jumlah lilitan, tegangan dan kuat arus pada transformator dapat ditulis secara matematis sebagai berikut
.
Keterangan :
Np : jumlah lilitan primer
Ns : jumlah lilitan sekunder
Vp : tegangan primer (V)
Vs : tegangan sekunder (V)
Ip : kuat arus primer (A)
Is : luat arus sekunder (A)
Tips :
Perhatikan persamaan transformator di atas, hanya bagian kuat arus (paling kanan) yang indeksnya dibalik. Selain itu pahami sifat dari masing-masing transformator sehingga dalam mengejakan soal sesuaikan hasil perhitungan dengan ciri-ciri masing-masing transformator
Efisiensi transformator (η)
Efisiensi transformator merupakan perbandingan antara daya sekunder (output) dengan daya primer (input). Nilai efisiensi transformator diinginkan setinggi mungkin (kalau bisa 100%)karena dengan efisiensi yang tinggi menandakan tidak banyak energi yang hilang ketika transformator sedang bekerja. Akan tetapi efisiensi tidak pernah mencapai 100 % karena selalu ada kebocoran energi berupa energi panas, secara matematis efisiensi dapat ditulis sebagai berikut:
rumus efisiensi
Keterangan :
η : efisiensi transformator
Ps : daya sekunder (watt)
Pp : daya primer (watt)
Contoh soal :
1) Sebuah transformator peninggi tegangan memiliki tegangan primer 220 V. Jika kumparan primernya terdiri dari 200 lilitan sedangkan kumparan sekundernya 2000 lilitan berapa tegangan yang dihasilkan dari transformator tersebut !
pembahasan:
2) sebuah radio memerlukan tegangan 9 volt dan catu daya (tegangan) 220 volt. Jika arus 110 mA mengalir melalui radio, tentukan besar arus pada catu daya 220 volt!
pembahasan:
3) sebuah transformator memiliki efisiensi 60%. Jika daya primernya 300 watt, tentukan besar daya sekundernya!
pembahasan:
TERIMAKASIH SANGAT BERMANFAAT DAN SUDAH BERBAGI KAMI TERBANTU UNTUK BELAJAR ANAK KAMI
BalasHapusAlhamdulillah kalau begitu, mudah2an anaknya tetap semangat belajar
Hapus