Roses Supiandi

Teknologi Pentransferan Energy Listrik Tanpa Kabel

Diajukan untuk memenuhi tugas akhir mata kuliah Seminar Fisika

Makalah

Oleh : Roses Supiandi 01935/2008

Dosen Pembina: Prof. Dr. Festiyed, M.Si

Pendidikan Fisika Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Padang 2011

Roses supiandi

KATA PENGANTARPuji syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT, atas limpahan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah mata kuliah seminar dengan judul teknologi pentransferan energy listrik tanpa kabel. Penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing Prof. Festiyed, M.S. Penulis juga nengucapkan terima kasih pada rekan-rekan atas bantuannya dalam penyusunan makalah ini. Penulis menyadari bahwa penulisan makalah ini masih jauh dari kesempurnaan, baik dari segi pembahasan maupun dari segi penulisan, maka dari itu penulis sangat mengharapkan saran-saran dari pembaca yang membangun demi kebaikan makalah ini. Akhirnya penulis mengharapkan semoga makalah ini ada manfaatnya bagi pembaca pada umumnya dan bagi penulis pada khususnya.

Padang, Mei 2011

Penulis

i

Roses supiandi

DAFTAR ISIKATA PENGANTAR.. DAFTAR ISI. DAFTAR GAMBAR 1 ii iii

BAB I PENDAHULUAN. 1 A. Latar Belakang. 1

B. Rumusan Masalah.... 1 C. Tujuan Penulisan. D. Manfaat Penulisan BAB II KAJIAN FISIKA WIRELESS... A. Muatan Listrik.. 2 2 3 3

B. Medan Listrik 4 C. Arus Listrik .. 5 D. Rangkaian Listrik 6 E. Medan Magnet . 6 F. Induktor 7 G. Kapasitor .. 7 H. Resonansi rangkaian RLC... 8 I. Baterai ... 8 J. Charger . 9 BAB III TRANSMISI POWER WIRELESS.. 10 BAB IVPENUTUP. 14 A. Kesimpulan 14

B. Saran... 14 DAFTAR PUSTAKA

ii

Roses supiandi

DAFTAR GAMBAR 1. Gambar 2a muatan listrik.. 3 2. Gambar 2b Gaya listrik.. 3. Gambar 2c arah aliran arus listrik4 6

4. Gambar 2d rangkaian listrik.. 6 5. Gambar 2e Magnet... 7 6. Gambar 2f Inductor. 7 7. Gambar 2g Baterai... 8 8. Gambar 2hbaterai... 9 9. Gambar 3a rangkaian charger wireless........................................ 10 10. Gambar 3b Resonansi. 11 11. Gambar 3c Charger 11

iii

Roses Supiandi

BAB I PENDAHULUAN1. Latar Belakang Perkembangan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK) berlangsung dengan pesat terutama dalam bidang informasi dan komunikasi. Perkembangan IPTEK menimbulkan suatu era yang disebut dengan era globalisasi. Produk-produk teknologi semakin canggih. Seperti adanya computer,

ponsel, dan lainnya. Charger juga termasuk salah satu produk teknologi saat ini. Produk di atas sudah menjadi kebutuhan dalam era globalisasi sekarang ini. Fisika merupakan bagian dari ilmu sains yang memberikan konstribusi besar terhadap kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK). Oleh Karena itu, prinsip kerja alat-alat teknolgi bisa kita analisis dengan menggunakan ilmu fisika. Banyak fenomena dalam hidup ini dapat dijelaskan menggunakan ilmu fisika seperti gerhana, pelangi, dan lainnya. Disisi lain, konsep fisika dapat digunakan untuk mempermudah kehidupan manusia dengan menghasilkan beragam teknologi baru. Seperrti contoh di atas yaitu charger. Pada awalnya charger selalu terhubung saat digunakan untuk mencharge suatu baterai. Saat ini sudah ada yang tidak harus terhubung ke baterai, tetapi digunakan secara wireless(nirkabel). Charger wireless ini sudah digunakan pada beberapa alat elektronik, seperti ponsel dan sikat gigi listrik. Dengan menggunakan charger ini, ponsel atau sikat gigi tadi cukup diletakan di atas charger. Dengan begitu, maka baterainya akan terisi mskipun tidak terhubung melalui kabel ke chargernya.

2. Rumusan Masalah Adadpun rumusan dari makalah ini adalah bagaimana prinsip kerja charger wireless ditinjau dari ilmu fisika?

1

Roses Supiandi

3. Tujuan Penulisan Makalah menggunakan ini membahas prinsip kerja charger wireless dengan ilmu fisika. Prinsip yang ditinjau di sini adalah prinsip kerja

charger wireless secara gariis besar.

4. Manfaat Penulisan Penulisan makalah ini memilki manfaat meningkatkan pemahaman

tentang aplikasi konsep fisika dalam kehidupan sehari-hari. Selain itu, makalah ini juga bisa menjadi referrensi bagi penulis lain dalam membahas hal yang berkaitan dengan makalah ini.

2

Roses Supiandi

BAB II KAJIAN FISIKA WIRELESSA. Muatan Listrik Muatan listrik, seperti massa adalah salah satu sifat dasar partikel yang membentuk materi (Young, 2001:85). Muatan listrik adalah muatan dasar yang dimiliki suatu benda. Satuan muatan listrik adalah coulomb. Muatan listrik adalah sifat dasar yang dimiliki oleh materi baik itu berupa proton (muatan positif) maupun elektron (muatan negatif). Muatan listrik total suatu atom atau materi ini bisa positif, jika atomnya kekurangan elektron. Sementara atom yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif. Besarnya muatan tergantung dari kelebihan atau kekurangan elektron ini, oleh karena itu muatan materi/atom merupakan kelipatan dari satuan muatan dasar. Dalam atom yang netral, jumlah proton akan sama dengan jumlah elektron yang mengelilinginya (membentuk muatan total yang netral atau tak bermuatan). Menurut Giancoli(2001:24) muatan listrik bersifat kekal. Jika sejumlah tertentu dari satu jenis muatan dihasilkan dari satu proses, jumlah yang sama dari muatan yang berbeda juga dihasilkan. Dengan demikian muatan total yang dihasilkan adalah nol.

Gambar 2a muatan listrik (Wikipedia.org)

Muatan

listrik yang sejenis akan tolak-menolak. Muatan listrik yang

berbeda jenis akan tarik-menarik, seperti tampak pada gambar di bawah ini,

3

Roses Supiandi

Gambar 2b Gaya listrik(Wikipedia.org) B. Medan Listrik Menurut Wikipedia bahasa Indonesia Medan Listrik adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya. Medan listrik memiliki satuan N/C atau dibaca Newton/coulomb. Medan listrik umumnya dipelajari dalam bidang fisika dan bidang-bidang terkait, dan secara tak langsung juga di bidang elektronika yang telah memanfaatkan medan listrik ini dalam kawat konduktor (kabel). Persamaan matematika untuk medan listrik dapat diturunkan melalui Hukum Coulomb, yaitu gaya antara dua titik muatan:

Menurut persamaan ini, gaya pada salah satu titik muatan berbanding lurus dengan besar masing-masing muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan. Medan listrik didefinisikan sebagai suatu konstan perbandingan antara muatan dan gaya.

Maka, medan listrik bergantung pada posisi. Suatu medan, merupakan sebuah vektor yang bergantung pada vektor lainnya. Medan listrik dapat dianggap

4

Roses Supiandi

sebagai gradien dari potensial listrik. Jika beberapa muatan yang disebarkan menghasilkan potensial listrik, gradien potensial listrik dapat ditentukan. Medan listrik tidak perlu hanya ditimbulkan oleh satu muatan listrik, melainkan dapat pula ditimbulkan oleh lebih dari satu muatan listrik, bahkan oleh distribusi muatan listrik baik yang diskrit maupun kontinu. Contoh-contoh distribusi muatan listrik misalnya: 1. kumpulan titik-titik muatan 2. kawat panjang lurus berhingga dan tak-berhingga 3. lingkaran kawat 4. pelat lebar berhingga atau tak-berhingga 5. cakram tipis dan cincin 6. bentuk-bentuk lain Untuk titik-titik muatan yang tersebar dan berjumlah tidak terlalu banyak, medan listrik pada suatu titik (dan bukan pada salah satu titik muatan) dapat dihitung dengan menjumlahkan vektor medan listrik di titik tersebut akibat oleh masing-masing muatan.

C. Arus Listrik Arus listrik adalah muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu. Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu. Arrus listrik mengalir karena adanya pebedaan potensial. Arus listrik mengalir bila rangkaian dalam keadaan tertutup. Bila rangkaian terbuka, arus tidak akan mengalir meskipun ada perbedaan potensial

Arus listrik terdiri dari 2 macam yaitu, 1. Arus searah 2. Arus bolak-balik

5

Roses Supiandi

Gambar 2c arah aliran arus listrik(http:www.wikipedia.org)

D. Rangkaian Listrik Rangkaian listrik adalah sambungan dari bermacam-macam elemen listrik pasif seperti resistor,kapasitor, induktor, transformator, sumber tegangan, sumber arus, dan saklar (switch).

Gambar 2d rangkaian listrik(http://t1.gstatic.com/images?) E. Medan Magnet Medan magnet adalah daerah disekitar magnet yang masih merasakan adanya gaya magnet. Jika sebatang magnet diletakkan dalam suatu ruang, maka terjadi perubahan dalam ruang ini yaitu dalam setiap titik dalam ruang akan terdapat medan magnetik.

6

Roses Supiandi

Gambar 2e Magnet (http://t1.gstatic.com/images)

Pada tahun 1819, Fisikawan Denmark Hans Oersted menemukan hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan. Ia menemukan bahwa muatan listrik yang bergerak (dalam bentuk arus listrik) dapat menimbulkan medan magnet. Rumus matematika dari medan magnet yang disebabkan oleh kawat berarus listrik ditemukan oleh Andre Ampere beberapa tahun setelah penemuan Oersted. F. Induktor Induktor merupakan komponen dalam rangkaian listrik. Induktor disebut juga kumparan. Bila inductor dialiri arus, maka akan terjadi induksi listrik. Satuan dari induksi listrik adalah Henry. Induktor banyak dipakai dalam elektronika seperti pada transformator. rangkaian

Gambar 2f Inductor (http://t3.gstatic.com/) G. Kapasitor Kapasitor adalah alat yang menyimpan muatan. Sering kali, meskipun tidak selalu, kapasitor terdiri atas dua penghantar listrik(konduktor) yang dipisahkan oleh dua muatan listrik (isolator) atau dielektrik

7

Roses Supiandi

Satuan dari kapasitansi kapasitor adalah Farad.. Kapasitor terdiri dari dua pelat. Kapasitansi kpasitor bergantung pada luas permukaan pelat, jarak antarpelat, dan bahan yang mengisi antara kedua pelat.

H. Resonansi rangkaian RLC Bila sebuah kapasitor dihubungkan dengan inductor, lalu dihubungkan dengan arus bolak balik. Saat terjadi resonansi, maka nilai impedansi oleh kapasitor akan sama dengan impedansi oleh inductor, sehingga XL=XC

L= 1/C

Maka akan terjadi resonansi bila frekuensinya sebesar:

XL= impedansi oleh induktor XC = impedansi oleh kapasitor f r = frekuensi resonansi

I. Baterai Baterai adalah alat listrik kimiawi yang menyimpan energi dan

mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik. Sebuah baterai biasanya terdiri dari tiga komponen penting, yaitu:

Gambar 2g Baterai (http://t0.gstatic.com/)8

Roses Supiandi

Gambar 2h baterai (http://t0.gstatic.com/) Bentuk-bentuk baterai 1. batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai) 2. seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai) 3. pasta sebagai elektrolit (penghantar) Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak. Ada juga yang dinamakan rechargeable battery, yaitu baterai yang dapat diisi ulang, seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder. Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakai sekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik

J. Charger Charger merupakan alat yang berfungsi untuk mencharge/mencas suatu baterai. Baterai yang dapat dicas adalah baterai yang termasuk jenis baterai sekunder/ rechargeable battery.

9

Roses Supiandi

BAB III TRANSMISI POWER WIRELESSTeknologi pentransferan energi listrik tanpa kabel atau transmisi power wireless ini sebenarnya sudah lama didemonstrasikan oleh Nicholas Joseph Callan pada 1836, dengan menggunakan kumparan (coil) induksi yang terdiri dari dua gulungan kabel yang diisolasi. Kumparan pertama yang dialiri listrik dari baterai menginduksi kumparan kedua yang diletakkan berjauhan Callan menggabungkan hasil penemuan dua ilmuwan sebelumnya, yakni William Sturgeon dan Michael Faraday. Sturgeon menemukan elektromagnet hasil mengaliri kabel yang dilingkarkan pada sebatang besi pada kumparan 1825.

Gambar 3a rangkaian charger wireless

Michael Faraday yang menemukan prinsip induksi elektromagnetik, yakni perubahan medan magnet dapat mempengaruhi aliran listrik pada kabel yang berada di dekatnya.Pada awal 1900-an, Nicola Tesla berhasil menyalakan lampu tanpa kabel power di ruang eksperimennya. Penemuan Tesla ini sangat mengesankan, namun tidak serta merta langsung disebarluaskan dan

dikembangkan sebagai metode transmisi listrik wireless. Sikat gigi elektrik tanpa baterai yang kini telah banyak di pasar, telah memanfaatkan metode ini. Menggunakan charger tradisional tentu akan membahayakan sikat Oleh karena itu, hampir semua sikat gigi, yang setiap harinya terkena air. Sikat gigi elektrik di-

10

Roses Supiandi

charge menggunakan coupling induktif. Metode ini menggunakan medan magnet yang secara alami terdapat pada kabel yang dialiri listrik.

Gambar 3b Resonansi (http://jayagila.wordpress.com)

Setiap kali arus listrik bergerak melalui seutas kabel, sebuah lingkaran medan magnet tercipta di sekelilingnya. Menggulung kabel menjadi sebuah kumparan akan meningkatkan medan magnet. Semakin banyak putaran kabel pada sebuah kumparan, semakin besar medan magnet yang dapat dihasilkan. Jika ada gulungan kabel lainnya yang diletakkan pada medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan tadi, arus listrik akan terinduksi ke dalam kabel tersebut. Begitulah inti dari cara kerja sebuah transformer, dan bagaimana sebuah sikat gigi elektrik di-charge. Berikut tiga langkah system charge wireless pada sikat gigi listrik:

Gambar 3c Charger (http://jayagila.wordpress.com)

11

Roses Supiandi

1. Arus listrik berasal dari stopkontak di dinding mengalir melalui rangkaian transmitter di dalam charger yang menghasilkan medan magnet. Dalam transformer, kumparan ini disebut dengan primary winding (gulungan utama) 2. Ketika sikat gigi elektrik/ponsel diletakkan di atas charger, medan magnet yang dihasilkan primary winding menginduksi arus listrik ke dalam kumparan yang ada didalam sikat gigi elektrik/ponsel yang disebut dengan secondary winding gulungan kedua ). Secondary winding ini terhubung langsung dengan baterai di dalam sikat gigi elektrik. 3. Arus listrik dari secondary winding me-recharge baterai sebagaimana sebuah sikat gigi/ponsel elektrik di-charge. Peralatan elektronik rumah tangga menghasilkan medan magnet yang relatif kecil. Oleh karena itu, charger wireless harus diletakkan berdekatan agar dapat menginduksi arus listrik ke dalam peralatan elektronik tersebut. Medan magnet yang besar dan kuat dapat menginduksi peralatan elektronik dari jarak yang lebih jauh.Tapi, prosesnya akan sangat tidak esien. Medan magnet yang menyebar ke seluruh pojok ruangan akan memakan energi yang besar, dan itu berarti pemborosan. Pada November 2006, para peneliti di MIT melaporkan bahwa mereka telah menemukan sebuah cara yang esien untuk mentransfer listrik antarkumparan yang berjarak beberapa meter. Tim ini membuat teori bahwa mereka dapat memperpanjang jarak antarkumparan dengan menambahkan resonansi pada frekuensi medan magnet yang sama. Analoginya ada pada terompet. Ukuran dan bentuk sik terompet mencerminkan kepada frekuensi berapa ia bergetar, yang dikenal dengan frekuensi resonansi. Benda-benda lebih mudah digetarkan pada frekuensi resonansinya, ketimbang pada frekuensi lain. Itulah sebabnya, jika sebuah terompet dimainkan dapat mengakibatkan terompet lain di dekatnya ikut bergetar. Kedua terompet memiliki frekuensi resonansi yang sama. Hasil penelitian di MIT

12

Roses Supiandi

tersebut menunjukkan bahwa induksi dapat terjadi jika medan elektromagnet di sekitar kumparan beresonansi pada frekuensi yang sama. Teori tersebut menggunakan kumparan melengkung, yang menyerupai bando, sebagai induktor. Pada kedua ujung kumparan tersebut dipasang piringan kecil yang dapat menyimpan listrik. Piringan ini disebut sebagai kapasitor. Pada saat listrik mengalir, kumparan mulai beresonansi. Frekuensi resonansi kumparan ini diperoleh dari hasil penginduksian kumparan dan piringan kecil. Pada sistem ini, listrik berjalan sepanjang gelombang elektromagnetik, dan dapat disalurkan dari satu kumparan ke kumparan lainnya selama mereka memiliki frekuensi resonansi yang sama. Efek yang dihasilkannya sama seperti yang terjadi pada satu terompet yang ditiup dapat menyebabkan terompet ain ikut berbunyi.

13

Roses Supiandi

BAB III PENUTUP A. KesimpulanPrisip kerja dari charger wireless yaitu, 1. Arus listrik berasal dari stopkontak di dinding mengalir melalui rangkaian transmitter di dalam charger yang menghasilkan medan magnet. Dalam transformer, kumparan ini disebut dengan primary winding (gulungan utama)

2. Ketika sikat gigi elektrik/ponsel diletakkan di atas charger, medan magnetyang dihasilkan primary winding menginduksi arus listrik ke dalam kumparan yang ada didalam sikat gigi elektrik/posel yang disebut dengan secondary winding gulungan kedua ). Secondary winding ini terhubung langsung dengan baterai di dalam sikat gigi elektrik.

3. Arus listrik dari secondary winding me-recharge baterai sebagaimana sebuahsikat gigi/ponsel elektrik di-charge. Agar lebih efisien dalam penggunaan energy listrik maka dipasang kapasitor, sehingga terjadi resonansi listrik.

B. SaranCharger wireless yang digunakan sebaiknya diguinakan pada frekuensi resonansi rangkaian. Hal ini dilakukan agar energi listrik lebih efisien. Jika digunakan pada frekuensi lain, maka arus yang mengalir dalam rangkaian sekunder jauh lebih kecil dari di rangkaian primer.

14

Roses Supiandi

DAFTAR PUSTAKA

Bueche , Frederick J dan Eugene Hecht. 2006. Fisika Universitas edisi X. Jakarta:Erlangga Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika jilid 2 edisi 5.Jakarta:Erlangga. Jaya. 2010. Witricity Wireless Electricity. http://jayagila.wordpress.com/2010/01 /31/ witricity-wireless-electricity/#more-556. diakses tanggal 20 Mei 2011 Syah 69. 2008. Listrik Wireless. http://syah69.blogspot.com/2008/04/listrikwireless .html diakses tanggal 20 Mei 2011. Wikipedia. 2011. Listrik. http://www.wikipedia.org/. diakses tanggal 20 Mei 2011 Young, Hugh D dan Roger Freedman. 2001: Fisika Universitas. Edisi X jilid 2. Jakarta: Erlangga.