Download - Makalah Lismag Aplikasi Final
APLIKASI KELISTRIKAN DAN KEMAGNETAN
Pendahuluan
Potensial listrik adalah energi potensial per satuan muatan penguji. Suatu
muatan ujihanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki
perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki
perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik
adalah beda potensial.
Medan listrik adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan
listrik, seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya.
Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang masih
mengalami gaya listrik. Jika muatan lain berada di dalam medan listrik dari
sebuah benda bermuatan listrik, muatan tersebut akan mengalami gaya listrik
berupa gaya tarik atau gaya tolak.
Aplikasi dari medan listrik dan potensial listrik antara lain:
A. Generator
Generator dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Generatorini meggunakan prinsip percobaannya faraday,
memutar magnet dalam kumparan atau sebaliknya,
ketika magnet digerakkan dalam kumparan maka terjadi perubahan fluks
gaya magnet (peribahan arah penyebaran medan magnet) di dalam
kumparan dan menembus tegak lurus terhadap kumparan sehingga
menyebabkan beda potensial antara ujung-ujung kumparan (yang
menimbulkan listrik). syarat utama, harus ada perubahan fluks magnetik,
jika tidak maka tidak akan timbul listrik.
Cara mengubah fluks magnetik adalah menggerakkan magnet
dalam kumparan atau sebaliknya dengan energi dari sumber lain, seperti
angin dan air yang memutar baling-baling turbin untuk
menggerakkan magnet tersebut. Ketika rotor berputar (terdapat kumparan)
dalam medan magnet maka belitan kawatnya akan memotong gaya- gaya
magnet pada kutub magnet. Fluks magnet yang menembus luas yang
dilingkupi olehrotor berubah terhadap waktu, sehingga terjadi perbedaan
tegangan (beda potensial) dan akan menginduksi suatu ggl, maka dari itu
akan timbul arus listrik, arus yang melalui kawat yang kedua ujungnya
dihubungkan dengan cincin. Sehingga arus yang dihasilkan dapat
dimanfaatkan untuk kehidupan sehari-hari, misalnya untuk memasak,
menyalakan komputer, AC, dll.
Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan
pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan
lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar)
dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubalian energi
gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang
prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama
kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Gambar 1. Dinamo
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang
mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada
generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus
yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu
generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-
balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus
bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-
alat pemanas.
B. Generator Van De Graff
Dalam kehidupan sehari-hari banyak sekali kita menemui
pemanfaatan dari medan listrik maupun potensial listrik. Salah satu
pemanfaatannya adalah pada penangkal petir. Prinsip kerja dari penangkal
petir kurang lebih dengan memafaatkan medan listrik di sekitar petir dan
menariknya ke batang konduktor.
Saat muatan listrik negatif di bagian bawah awan sudah tercukupi,
maka muatan listrik positif di tanah akan segera tertarik. Muatan listrik
kemudian segera merambat naik melalui kabel konduktor , menuju ke
ujung batang penangkal petir. Ketika muatan listrik negatif berada cukup
dekat di atas atap, daya tarik menarik antara kedua muatan semakin kuat,
muatan positif di ujung-ujung penangkal petir tertarik ke arah muatan
negatif. Pertemuan kedua muatan menghasilkan aliran listrik.
Aliran listrik itu akan mengalir ke dalam tanah, melalui kabel
konduktor, dengan demikian sambaran petir tidak mengenai bangunan.
Tetapi sambaran petir dapat merambat ke dalam bangunan melalui kawat
jaringan listrik dan bahayanya dapat merusak alat-alat elektronik di
bangunan yang terhubung ke jaringan listrik itu, selain itu juga dapat
menyebabkan kebakaran atau ledakan. Untuk mencegah kerusakan akibat
jaringan listrik tersambar petir, biasanya di dalam bangunan dipasangi alat
yang disebut penstabil arus listrik (surge arrestor).
Gambar 2. Generator Van de graff
Contoh lain adalah pada pemanfaatan potensial listrik pada
generator van de graff. Cara kerja generator van de graff Secara umum,
dua konduktor yang dipisahkan dengan suatu jarak tidak akan berada pada
potensial yang sama. Beda potensial antara konduktor tersebut bergantung
pada bentuk geometrinya, jaraknya dan muatan bersih masing-masing.
Ketika dua konduktor disambung, muatan pada konduktor menyebar
dengan sendirinya sehingga keseimbangan elektrostatik terbentuk dan
medan listrik nol dalam konduktor.
Ketika tersambung kedua konduktor dianggap sebagai konduktor
tunggal dengan permukaan ekipotensial tunggal. Perpindahan muatan dari
satu konduktor ke yang lain disebut pembagian muatan (charge sharing).
Secara sederhananya, kerja generator Van De Graff yaitu apabila ujung
runcing H dihubungkan dengan tegangan tinggi searah 2 x 104 V atau
20kV, mengandung muatan positif yang besar. Ujung runcing H
bersentuhan dengan sabuk yang digerakkan oleh motor penggerak atau
engkol tangan yang terhubung melalui roller F. gesekan antar sabuk dan
ujung runcing H bermuatan positif menyebabkan elektron-elektron
(muatan negative) dari sabuk ditarik ke ujung runcing H. ini menyebabkan
sabuk kiri yang tadinya netral akan mengandung sejumlah besar muatan
positif.
Sabuk ini bergerak membawa muatan positif menuju ke kubah
setengah bola yang ditopang oleh sepasang tiang berisolasi. Saat melewati
ujung runcing G sabuk meninduksikan muatan pada konduktor ini yang
karena ujungnya runcing, menimbulkan intensitas medan yang tingginya
cukup untuk menionisasi udara antara ujung runcing dan sabuk. Maka
udara yang terionisasi ini menjadi “jembatan” penghantaran bagi muatan
positif pada sabuk guna dapat mengalir ke konduktor A. Sehingga fungsi
dari ujung runcing G yang terdapat dalam kubah ialah mengumpulkan
muatan positif dari sabuk, dan memindahkannya ke permukaan luar
kubah. Sebagai hasilnya pada kubah terkumpul muatan positif yang sangat
besar. Ketika meninggalkan katrol E, sabuk itu menjadi bermuatan
negative dan sisi kanannya mengangkut muatan negative ini ke luar dari
terminal atas. Pengambilan muatan negatif ekuivalen dengan penambahan
muatan positif, sehingga kedua sisi sabuk berperan menaikan muatan netto
positif terminal A. Muatan negatif terambil dari sabuk pada ujung runcing
H, lalu mengalir ke tanah.
Pengumpulan muatan pada kubah tidak dapat berlanjut tanpa batas,
karena akhirnya pelepasan muatan akan terjadi di udara. Untuk memahami
hal ini, perhatikan bahwa lebih banyak muatan terkumpul pada permukaan
luar kubah, besar medan listrik pada kubah juga meningkat. Akhirnya,
kekuatan medan lsitrik menjadi cukup untuk mengionisasi sebagian
molekul udara di dekat permukaan kubah. Ini membuat sebagian udara
bersifat konduksi (dapat menghantarkan muatan listrik). Muatan-muatan
pada kubah sekarang memilki jalan untuk bocor menuju udara di
sekitarnya. Pelepasan muatan ke udara ini dapat menimbulkan ”ledakan
petir”.
C. Panel Sel Surya
Panel sel surya mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi
listrik. Panel sel surya menghasilkan arus yang digunakan untuk
mengisi batere. Indonesia sendiri merupakan negara yang dilewati oleh
garis khatulistiwa dan menerima panas matahari yang lebih banyak
daripada negara lain, sehingga mempunyai potensial yang sangat besar
untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga surya. Panel sel
surya terdiri dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas
cahaya, saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus
listrik yang dihasilkan juga akan berkurang.
Bahan sel surya sendiri terdiri dari kaca pelindung dan material
adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan
lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya
dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan. Sel surya merupakan
suatu pn junction dari silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-
electric effect dari bahan semikonduktor, sel surya dapat langsung
mengkonversi sinar matahari menjadi listrik searah (dc).
Bila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang
dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul
di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah
lapisan p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi
pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya. Jika pada
kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir
melalui beban.Bahan dan cara kerja yang aman terhadap lingkungan
menjadikan sel surya sebagai salah satu hasil teknologi pembangkit listrik
yang efisien bagi sumber energi alternatif masyarakat di masa depan.
Gambar 3. Panel Sel Surya
Adapun jenis-jenis panel sel surya:
1. Polikristal (Poly-crystalline)
Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak. Type
Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan
dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan
tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung.
2. Monokristal (Mono-crystalline)
Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik
persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%.
Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat
yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis
dalam cuaca berawan.
Gambar 4. Skema Sel Surya
Gambar di atas memperlihatkan sistem energi listrik alternatif yang
memanfaatkan sinar matahari. Pertimbangan-pertimbangan di atas di
gunakan untuk mengetahui spesifikasi komponen yang akan di pasang
pada sistem tersebut, sebab salah memilih komponen bisa menyebabkan
sitem ini tidak bekerja dengan baik (mudah rusak/tidak maksimal).
Fungsi Tiap Bagian Sistem Diatas
Sell Surya
Sebagai sumber energi listrik. berdasarkan pengujian penulis (pada
gambar fisik sell surya yang paling besar) 1 buah sell surya pada saat sinar
matahari cukup terik menghasilkan 20v-23,..v/1,9 - 2,4..A (38 - 50 watt)
atau sekitar 350 Watt/ hari.
Controll ON/OFF
Untuk mengontrol pengisian batery dan menghubungkan batery
dengan beban (inverter).
Batery
Untuk menyimpan energi listrik yang di hasilkan sell surya.
biasanya batery yang di gunakan memiliki Ampare hour yang cukup
tinggi. sebab untuk menghidupkan lampu 10 watt saja selama 1 malam (12
jam) idealnya membutuhkan batery 12V/10A.
Inverter
Untuk mengubah tegangan DC 12V dari batery menjadi 220 AC.
untuk hasil yang lebih baik gunakan inverter yang menghasilkan
gelombang sinus.
D. Tranformator
Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan
dan mengubah energy listrik satu atau lebih rangkaian listrik satu atau
lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu
gendeng magnet berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet.
Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan
bolak balik (ac) dari suatu nilai tertentu ke nilai yang kita inginkan terdiri
dari kumparan primer dan sekunder.
Transformator terdiri dari pasangan kumparan primer dan sekunder
yang diisolasi (terpisah) secara listrik dan dililitkan pada inti besi lunak.
Inti besi lunak dibuat dari pelat yang berlapis-lapis untuk mengurangi daya
yang hilang karena arus pusar. Kumparan primer dan sekunder dililitkan
pada kaki inti besi yang terpisah. Bagian fluks magnetic bocor tampak
bahwa pada pasangan kumparan terdapat fluks magnetic bocor disisi
primer dan sekunder. Secara lebih lengkap bisa dicermati pada gambar
Gambar 5. Kumparan pada Trafo
Kumparan sekunder dililitkan pada kaki inti besi yang sama (kaki
yang tengah), dengan lilitan kumparan sekunder terletak diatas lilitan
kumparan primer, ditunjukkan pada fluks magnet bocornya, maka dapat
dicermati pada gambar dibawah ini.
Gambar 6. Kumparan Primer dan Kumparan Sekunder
Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan
pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder)
yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk
memperkuat medan magnet yang dihasilkan.
Gambar 7. Kumparan Pada Trafo
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.
Gambar 8. Skema transformator kumparan primer dan kumparan sekunder
terhadap medan magnet
Pada skema transformator diatas, 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.
Gambar 9. Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer,
tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder
Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan
sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan :
Vp/Vs = Np/Ns (6)
Vp = tegangan primer (volt)
Vs = tegangan sekunder (volt)
Np = jumlah lilitan primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Jenis-jenis transformator adalah :
1. Step-Up
Gambar 10. 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.
2. Step-down
Gambar 11. 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.
3. Autotransformator
Gambar 12. Skema transformator
Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut
secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian
lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan
sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya
yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis
dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator
adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada
jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan
isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder. Selain
itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan
lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali).
4. Autotransformator Variabel
Gambar 13. Skema Autotransformator Variabel
Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator
biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan
perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah.
5. Transformator Isolasi
Transformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah
sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder sama dengan
tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat
sedikit lebih banyak untuk mengkompensasi kerugian. Transformator
seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapan
audio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling
kapasitor.
6. Transformator Pulsa
Transformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus
untuk memberikan keluaran gelombang pulsa. Transformator jenis ini
menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer
mencapai titik tertentu, fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL
induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks
magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh,
yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.
7. Transformator Tiga Fasa
Transformator tiga fasa sebenarnya adalah tiga transformator yang
dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya
dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara
delta (Δ).
Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama
yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-
balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN
220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik
bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh
alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin
foto kopi, gardu listrik dan sebagainya.
E. Telegraf Morse
Telegraf penerima morse terdiri atas sebuah magnet listrik yang
tersusun di bawah sebatang besi yang disebut clapper. Clapper
berkedudukan di atas salah satu kutub pada magnet listrik dari sumber.
Rangkaian yang menghubungkan magnet listrik ke baterai tertutup
sewaktu-waktu ketika kunci pembawa garis akhir ditekan. Hal ini
disebabkan oleh sebuah arus sekejap pada gulungan magnet listrik, yang
kemudian menarik clapper. Ketika kunci dilepas, arus berhenti dan sumber
mengubah kedudukan clapper ke posisi sandar. Demikian sebuah pesan
kode yang tersedia di atas kunci akhir garis yang menyebabkan clapper
membuat urutan yang sesuai pada bunyi ceklek di garis akhir lainnya.
F. Bell Listrik
Sebuah bell listrik sama dengan telegraf penerima dalam memiliki
clapper dan sebuah magnet listrik yang menarik clapper ketika rangkaian
ditutup. Setiap waktu clapper bergerak menghadap magnet, menabrak
sebuah bell logam, yang membuat suara berdering. Selain itu, clapper
dibuat sebagai bagian dari rangkaian yang caranya seperti gerakan clapper
yang menghadap magnet membuka rangkaian. Demikian, sebagimana
clapper mengenai bell, rangkaian dibuka dan clapper menarik magnet lagi.
Oleh karena itu, selama swich utama S ditutup, clapper akan berpindah ke
belakang seterusnya, dengan berkali-kali menabrak bell. Pengaturan ini
merupakan salah satu mekanisme paling sederhana untuk terus
menghasilkan gerakan mesin dari kelistrikan.
G. Pembangkit Biolistrik
Biolistrik merupakan fenomena sel. Sel-sel mampu menghasilkan
potensial listrik yang merupakan lapisan tipis muatan positif pada
permukaan luar dan lapisan tipis muatan negatif pada permukaan dalam
bidang batas/membrane.
H. Electrocardiograph (ECG)
Aktifitas biolistrik pada suatu otot dapat menyebar ke seluruh
tubuh seperti gelombang pada permukaan air. Pengamatan pulsa listrik
tersebut dapat dilakukan dengan memasang beberapa elektroda pada
permukaan kulit. Hasil rekaman isyarat listrik dari jantung
(electrocardiogram-ECG) digunakan untuk diagnosa kesehatan.
EKG atau elektrokardiografi adalah pencatatan grafik variasi-
variasi potensial listrik yang disebabkan oleh aktivitas listrik otot jantung
dan terdeteksi pada permukaan tubuh. Prinsip kerja EKG adalah merekam
signal elektrik yang berkaitan dengan aktivitas jantung dan menghasilkan
grafik rekaman tegangan listrik terhadap waktu. EKG adalah suatu metode
untuk mempelajari kerja otot jantung sehingga dapat membantu diagnosis
abnormalitas jantung dan kecenderungan atau perubahan fungsi jantung.
Electrocardiograph adalah alat untuk melakukan elektrokardiografi
sedangkan electrocardiogram adalah kertas yang mencatat grafik variasi-
variasi potensial listrik yang disebabkan oleh eksitasi otot jantung dan
terdeteksi pada permukaan tubuh.
Elektrokardiogram yang normal menunjukkan
defleksi/pembelokkan yang dihasilkan dari aktivitas atrial dan ventricular
sebagai perubahan kecenderungan tegangan/voltage dan polaritas (positif
dan negatif) terhadap waktu. Defleksi pertama atau P wave adalah hasil
eksitasi atria; Defleksi kompleks QRS adalah hasil eksitasi (depolarisasi)
ventrikel dan T wave sebagai hasil recovery ventrikel (repolarisasi)
DAFTAR PUSTAKA
http://www.fisika-ceria.com/prinsi-kerja-generator-ac-dan-dc.html
http://penjagahati-zone.blogspot.com/2011/03/prinsip-kerja-generator-van-de-
graaff.html
Serway, R A.2010. Fisika untuk Sains dan Tehnik (terjemahan). Jakarta : Salemba
tehnika.
http://panelselsurya.com/index.php/panel-sel-surya/pemeliharaan-panel-
sel-surya
http://sinelectronic.blogspot.com/2012/01/transformator-dan-jenisnya.html
http://solarpanel.co.id/solar-panel/prinsip-kerja-solar-cell.html
http://www.alpensteel.com/article/46-102-energi-matahari--surya--solar/
4264--defenisi-cara-kerja-aplikasi-fungsi-solar-cell.html
http://cv-power-bell.blogspot.com/2012/01/prinsip-kerja-sederhana-dari-
solar-cell.html
http://panelselsurya.com/index.php/home/nstalasi-listrik-tenaga-surya
http://sinelectronic.blogspot.com/2012/04/rumput-ternyata-bisa-
menghasilkan.html