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 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.

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

Tabel 1.2 Dua buah magnet

Kumpara

nGerakan magnet Arus

(mA)

Gerakan magnet Arus

(mA)(lilitan) ke dalam ke luar

500pelan 18,5 pelan 9,0

cepat 44,3 cepat 31,7

1000pelan 27,2 pelan 42,0

cepat 76,3 cepat 58,3

D. Pembahasan

Analisis

Semakin cepat gerakan magnet maka semakin besar juga arus (I) yang dihasilkan.

Kumpara

nGerakan magnet Arus

(mA)

Gerakan magnet Arus

(mA)(lilitan) ke dalam ke luar

500pelan 0,6 pelan 1,3

cepat 14,5 cepat 10,5

1000pelan 11,3 pelan 18,7

cepat 20,2 cepat 28,7

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 berlapis-

lapisan.

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

Catu Kumparan Kumparan (V) (V)NpNs

VpVs

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:

Vp rata−rata=0,94+1,9+2,893

=1,91

Vs rata−rata=2,21+4,38+6,563

=4,38

Jadi,

NpNs

= 5001000

=0,5dan

VpVs

=1,914,38

=0,43Nilai NpNs

dan VpVs

adalah hampir sama.

Pada Np = 1000 lilitan dan Ns = 500 lilitan dapat diperoleh:

Vp rata−rata=16,32+20,6+24,93

=20,6

Vs rata−rata=8,74+10,92+13,083

=10,9

Jadi,

NpNs

=1000500

=2dan

VpVs

=20,610,9

=1,8Nilai NpNs

dan VpVs

adalah hampir sama.

Sehingga analisis yang dapat saya peroleh bahwa

NpNs

=V pVs

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.

NpNs

=V pVs

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 = I Z

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= Nφi dan X L=2 π fL

III. Percobaan dan Data

III.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.

III.2. Data Percobaan

Tabel 1.1

Kumparan

(lilitan)

V(V) I(A) XL(Ω)

500 13,04 0,0818 159,41

1000 13,04 0,0239 545,60

IV. Pembahasan

Pada kumparan 500 lilitan

XL= 13,040,0818

=159,41

Pada kumparan 1000 lilitan

XL= 13,040,0239

=545,60

Persamaan (1)

L= Nφi

Persamaan (2)

X L=2 π fL

Sehingga

L= XL2 πf

Substitusikan persamaan (1) dan (2)

L= Nφi

XL2 πf

= Nøi

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-ipa-kelas-9-smpmts/ yang direkam pada 6 februari 2009 [25 Mei 2011].

Tn. (2010). “Prinsip Kerja Transformator”. [online]. Tersedia: http://www.e-dukasi.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-induktif-reaktansi-kapasitif-impedansi.html yang direkam pada 21 May 2010 06:29 [25 Mei 2010].