gaya gerak listrik

A. Hubungan antara Pergerakan Garis Medan Magnet dengan Terjadinya Gaya Gerak Listrik Induksi

Kalian telah mengetahui bahwa ada beberapa bentuk energi antara lain: energi kalor, energi kimia, energi cahaya, energi bunyi, dan energi listrik. Di antara bentuk-bentuk energi tersebut, energi listriklah yang paling mudah diubah menjadi bentuk energi lain. Oleh karena itu, energi listrik banyak digunakan untuk kepentingan manusia. Energi listrik diperoleh dari mesin pembangkit listrik yaitu generator. Generator menghasilkan energi listrik dengan beda tegangan yang sangat tinggi yaitu dalam orde megavolt, oleh sebab itu sebelum sampai ke rumahrumah perlu ada alat penurun tegangan. Alat yang digunakan adalah trafo atau transformator. Dasar kerja trafo dan generator adalah induksi elektromagnetik.
Terjadinya GGL Induksi
Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernama Michael Faraday (1991 – 1867) memiliki gagasan dapatkah medan magnet menghasilkan arus listrik? Gagasan ini didasarkan oleh adanya penemuan dari Oersted bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Karena termotivasi oleh gagasan tersebut kemudian pada tahun 1822,Faraday memulai melakukan percobaan-percobaan. Pada tahun 1831 Faraday berhasil membangkitkan arus listrik dengan menggunakan medan magnet.
Alat-alat yang digunakan Faraday dalam percobaannya adalah gulungan kawat atau kumparan yang ujung-ujungnya dihubungkan dengan
galvanometer. Jarum galvanometer mula-mula pada posisi nol. Kalian pasti sudah mengetahui, bahwa galvanometer adalah sebuah alat untuk menunjukkan ada atau tidaknya arus listrik di dalam rangkaian. Percobaan Faraday untuk menentukan arus listrik dengan menggunakan medan magnet, dilakukan antara lain seperti kegiatan di atas. Pada kegiatan tersebut diketahui bahwa ketika kutub utara magnet bergerak ke dalam kumparan maka jarum galvanometer, menyimpang ke kanan. Ketika magnet ditarik dari dalam kumparan maka jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Pada saat kutub selatan bergerak masuk ke dalam kumparan, jarum galvanometer akan menyimpang ke kiri, sedangkan ketika kutub selatan ditarik dari dalam kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Dari hasil percobaan di atas maka dapat diambil kesimpulan bahwa arus induksi yang timbul dalam kumparan arahnya bolak-balik seperti yang ditunjukkan oleh penyimpangan jarum galvanometer yaitu ke kanan dan ke kiri.
Karena arus induksi selalu bolak-balik, maka disebut arus bolak-balik (AC = Alternating Current). Faraday menggunakan konsep garis gaya magnet untuk menjelaskan peristiwa di atas. Perhatikan Gambar 13.1!
1. Magnet didekatkan pada kumparan maka gaya yang melingkupi kumparan menjadi bertambah banyak, sehingga pada kedua ujung kumparan timbul gaya gerak listrik (GGL).
2. Magnet dijauhkan terhadap kumparan maka garis gaya yang melingkupi kumparan menjadi berkurang, kedua ujung kumparan juga timbul GGL.
3. Magnet diam terhadap kumparan, jumlah garis gaya magnet yang melingkupi kumparan tetap, sehingga tidak ada GGL.
Kesimpulan percobaan di atas adalah:
Timbulnya gaya listrik (GGL) pada kumparan hanya apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet.

Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus induksi dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besar GGL induksi yaitu:
1. Kecepatan perubahan medan magnet. Semakin cepat perubahan medan magnet, maka GGL induksi yang timbul semakin besar.
2. Banyaknya lilitan Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.
3. Kekuatan magnet Semakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.
Untuk memperkuat gejala kemagnetan pada kumparan dapat dengan jalan memasukkan inti besi lunak. GGL induksi dapat ditimbulkan dengan cara lain yaitu:
1. Memutar magnet di dekat kumparan atau memutar kumparan di dekat magnet. Maka kedua ujung kumparan akan timbul GGL induksi.
2. Memutus-mutus atau mengubah-ubah arah arus searah pada kumparan primer yang di dekatnya terletak kumparan sekunder maka kedua ujung kumparan sekunder dapat timbul GGL induksi.
3. Mengalirkan arus AC pada kumparan primer, maka kumparan sekunder didekatkan dapat timbul GGL induksi. Arus induksi yang timbul
adalah arus AC dan gaya gerak listrik induksi adalah GGL AC.

B. Prinsip Kerja Dinamo dan Generator

Kalian sudah mengetahui bahwa terjadinya arus induksi dan GGL induksi antara lain dengan cara kutub magnet digerakkan di dekat kumparan atau kumparan digerakkan di dekat kutub magnet. Karena kita menggerakkan kutub magnet berarti terdapat energi gerak atau energi kinetik. Jadi, dalam proses terjadinya arus induksi terdapat perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Akibat gerakan magnet di dalam suatu kumparan menimbulkan arus induksi yang secara langsung adanya energi lisrik yang ditimbulkan. Beberapa contoh peralatan yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari sebagai penerapan GGL induksi di antaranya adalah generator dan dinamo.

1. Dinamo

Bagian utama dinamo, lihat Gambar 13.2, adalah
a. Sebuah kumparan (C)
b. Sebuah cincin geser (A)
c. Sikat (B)
d. Magnet

Sedangkan langkah-langkah kerja dinamo adalah sebagai berikut:
a. Sebuah kumparan berputar dalam medan magnet.
b. Tiap-tiap ujung kawat kumparan dihubungkan dengan sebuah “cincin geser”.
c. Cincin geser tersebut menempel sebuah sikat.
d. Bila kumparan diputar maka dalam kumparan itu timbul GGL AC. GGL AC ini menimbulkan arus AC di dalam rangkaian dinamo.

2. Dinamo Arus Searah

Dinamo arus bolak-balik dapat diubah menjadi dinamo arus searah dengan menggunakan cincin belah atau komutator seperti pada motor listrik, lihat gambar 13.3!

Dinamo arus searah pada prinsipnya sama dengan motor arus searah. Jadi dinamo arus searah dapat dipakai sebagai motor arus searah. Demikian pula sebaliknya.

 

3. Generator

Bagian utama generator, lihat Gambar 13.4, adalah:

a. Magnet

Untuk generator pembangkit tenaga listrik yang besar biasanya menggunakan lebih dari satu magnet yang berputar. Magnet yang digunakan biasanya magnet listrik.

b. Rotor

Rotor adalah bagian generator yang berputar.

c. Stator

Stator adalah bagian generator yang tidak berputar.
Arus yang ditimbulkan oleh generator juga arus bolak-balik. Seperti yang kalian ketahui bersama bahwa arus yang digunakan di rumah-rumah atau di pabrik-pabrik bersifat arus bolak-balik, bukan?

C. Prinsip Kerja Transformator (Trafo)

Transformator adalah sebuah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan arus bolakbalik. Transformator sering disebut trafo. Sebuah
transformator terdiri atas sebuah inti besi. Pada inti besi digulung dua lilitan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder, lihat Gambar 13.5!

Info MEDIA
Pada tahun 1831, Faraday menemukan bahwa penghentian atau pengaliran arus dalam salah satu kawat pada cincin besi ini menyebabkan dorongan singkat dari arus di kawat lainnya. Cincin yang sekarang jadi terkenal ini sebenarnya sama dengan transformator
modern yang tercipta 160 tahun kemudian.
Prinsip kerja tranformator adalah sebagai berikut.
1. Kumparan primer dihubungkan kepada sumber tegangan yang hendak diubah besarnya. Karena tegangan primer itu tegangan bolak-balik, maka besar dan arah tegangan itu berubah-ubah.
2. Dalam inti besi timbul medan magnet yang besar dan arahnya berubah-ubah pula. Perubahan medan magnet ini menginduksi tegangan bolakbalik pada kumparan sekunder.
Dari sebuah percobaan dapat ditunjukkan, bahwa:
1. Perbandingan antara tegangan primer, Vp, dengan tegangan sekunder, Vs sama dengan perbandingan antara jumlah lilitan primer, Np, dan lilitan sekunder, Ns.
2. Perbandingan antara kuat arus primer, Ip, dengan kuat arus sekunder, Is, sama dengan perbandingan jumlah lilitan sekunder dengan
lilitan primer.
Dari kedua pernyataan tersebut dapat dituliskan secara singkat dengan persamaan sebagai berikut:

Ada dua hal perlu dipahami untuk transformator ini, yaitu:
1. Transformator hanya digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan arus bolak-balik (AC) dan tidak untuk arus searah (DC).
2. Transformator tidak dapat memperbesar daya listrik yaitu tidak dapat memperbesar banyaknya daya yang masuk ke dalam transformator tersebut.
Efisiensi Tranformator
Kalian sudah mengetahui persamaan-persamaan yang berlaku pada transformator. Persamaan di atas dan didasarkan atas efisiensi transformator dianggap seratus persen. Tetapi kenyataan sehari-hari efisiensi transformator selalu kurang dari seratus persen. Mengapa demikian? Selama penggunaan transformator, besarnya daya yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder selalu lebih kecil daripada daya
yang diterima oleh kumparan primer. Hal ini disebabkan selama transformator digunakan ada sebagian energi listrik yang berubah menjadi kalor. Dengan kata lain energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada energi yang masuk ke dalam transformator. Agar diperoleh efisiensi mendekati 100% padapenggunaan transformator, biasanya dilakukan caracara sebagai berikut:
1. Diberi bahan pendingin.
2. Untuk mengurangi panas, membuat inti besi untuk transformator berbentuk pelat atau lempengan.
3. Mengalirkan udara dingin, misal dengan air conditioning atau kipas angin.
Selama 1 sekon, kumparan primer tranformator menerima energi dari sumber yang akan diubah sebesar Wp = Vp Ip t joule. Selama t sekon transformator tersebut juga melepas energi melalui kumparan sekunder sebesar Ws = Vs Is t joule. Efisiensi tranformator, 􀁋 , adalah persentase harga perbandingan antara besar energi yang dilepas transformator tiap sekon pada kumparan sekunder dengan energi yang diterima transformator setiap sekon pada kumparan primer. Energi tiap sekon disebut daya. Oleh karena itu, efisiensi dapat dinyatakan dalam perbandingan daya sekunder,
 

 Ps dan daya primer, Pp, kali 100 % dan dapat ditulis

D. Karakteristik Transformator dan Penerapannya

Ada dua transformator, yaitu:
1. Transformator step-up (transformator penaik tegangan)
2. Transformator step-down (transformator penurun tegangan)
Ciri-ciri kedua jenis trafo adalah:
1. Trafo step-up
a. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih kecil dari jumlah lilitan kumparan sekunder, (Np < Ns)
b. Tegangan primer selalu lebih kecil dari tegangan sekunder, (Vp < Vs)
c. Kuat arus primer selalu lebih besar dari kuat arus sekunder, (Ip> Is)
2. Trafo step-down
a. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih besar dari jumlah lilitan kumparan sekunder, (Ip> Ns)
b. Tegangan primer selalu lebih besar dari tegangan sekunder (Vp > Vs)
c. Kuat arus primer selalu lebih kecil dari kuat arus sekunder, (Ip< Is)
Salah satu contoh penggunaan transformator adalah pada pesawat penerima radio jenis “tabung”.